专利名称：带高频整流桥的无死区三相ac/dc变流器的制作方法
技术领域：
本发明涉及三相交直流变换领域，尤其涉及一种无死区三相变流器拓扑结构。
背景技术：
近年来，随着工业技术的发展和能源危机的日益严峻，风力发电、电动汽车等节能、环保的技术领域取得了长足的发展。三相变流器能够实现交直流的电能变换，广泛应用于中高功率 场合，受到了广泛的关注。传统的三相桥式AC/DC变流器结构简单，能够实现能量的双向流动，变流器效率较高，采用空间矢量控制策略能够对交流侧电流进行精确控制，实现变流器的可靠运行。但是桥式拓扑每相上下桥臂功率管直接相连，存在桥臂直通问题，需要给上下桥臂互补的驱动信号加入死区，从而引入大量低次谐波，对滤波器的滤波性能要求更高，这样不仅会导致较高的进网电流失真度，也会增加滤波器的体积与成本。针对桥式拓扑上下桥臂功率管的直通问题，南京航空航天大学的刘军、严仰光教授等在2002年提出了采用滞环电流控制的单相双降压逆变器拓扑，采用外接快恢复二极管进行续流，上桥臂功率管的输出端与下桥臂功率管的输入端分别与连接滤波电感，避免了上下桥臂功率管的直通问题。2012年孙鹏伟(Pengwei Sun)等人将双降压拓扑应用于三相AC/DC变流器，采用谐波注入法等效SVPWM控制策略，实现了三相双降压变流器的逆变运行。但是，三相双降压拓扑由于存在电感和功率管构成的回路，若采用传统桥式变流器 SVPWM控制策略，其冗余开关信号会导致额外的开关损耗，因此双降压拓扑每相都应采取与该相电压对应的半周期控制，屏蔽冗余开关信号，从而增加控制的复杂程度，同时，由于控制中积分环节的存在，SVPWM计算出的等效调制波相对相电压有一定的滞后，存在电流过零点畸变问题，影响波形质量。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种高效率高可靠性三相AC/DC变流器拓扑电路，以克服现有技术谐波含量高，存在过零点畸变等缺点。本发明提出一种三相变流器拓扑电路，包括直流侧支撑电容、A相上桥臂功率管、A 相下桥臂功率管、A相上桥臂续流二极管、A相下桥臂续流二极管、A相高频整流桥、A相第一防直通滤波电感、A相第二防直通滤波电感、B相上桥臂功率管、B相下桥臂功率管、B相上桥臂续流二极管、B相下桥臂续流二极管、B相高频整流桥、B相第一防直通滤波电感、B相第二防直通滤波电感、C相上桥臂功率管、C相下桥臂功率管、C相上桥臂续流二极管、C相下桥臂续流二极管、C相高频整流桥、C相第一防直通滤波电感、C相第二防直通滤波电感， 其中直流侧支撑电容的正极P分别与A相上桥臂功率管的上端、B相上桥臂功率管的上端、 C相上桥臂功率管的上端、A相上桥臂续流二极管的阴极、B相上桥臂续流二极管的阴极和 C相上桥臂续流二极管的阴极连接，直流侧支撑电容的负极N分别与A相下桥臂功率管的下端、B相下桥臂功率管的下端、C相下桥臂功率管的下端、A相下桥臂续流二极管的阳极、B相下桥臂续流二极管的阳极和C相下桥臂续流二极管的阳极连接，A相上桥臂功率管的下端分别与A相上桥臂续流二极管的阳极和A相高频整流桥的第一输入端连接，A相下桥臂功率管的上端分别与A相下桥臂续流二极管的阴极和A相高频整流桥的第二输入端连接， A相高频整流桥的第一输出端与A相第一防直通滤波电感的输入端连接，A相高频整流桥的第二输出端与A相第二防直通滤波电感的输入端连接，A相第一防直通滤波电感的输出端与A相第二防直通滤波电感的输出端连接，B相上桥臂功率管的下端分别与B相上桥臂续流二极管的阳极和B相高频整流桥的第一输入端连接，B相下桥臂功率管的上端分别与B相下桥臂续流二极管的阴极和B相高频整流桥的第二输入端连接，B相高频整流桥的第一输出端与B相第一防直通滤波电感的输入端连接，B相高频整流桥的第二输出端与B相第二防直通滤波电感的输入端连接，B相第一防直通滤波电感的输出端与B相第二防直通滤波电感的输出端连接，C相上桥臂功率管的下端分别与C相上桥臂续流二极管的阳极和C相高频整流桥的第一输入端连接，C相下桥臂功率管的上端分别与C相下桥臂续流二极管的阴极和C相高频整流桥的第二输入端连接，C相高频整流桥的第一输出端与C相第一防直通滤波电感的输入端连接，C相高频整流桥的第二输出端与C相第二防直通滤波电感的输入端连接，C相第一防直通滤波电感的输出端与C相第二防直通滤波电感的输出端连接。 其中，所述的三相变流器控制策略可以完全采用传统三相桥式AC/DC变流器的空间矢量调制策略。其中，所述的三相变流器能够实现能量的双向流动，即其既可以作为整流器运行， 也可以作为逆变器运行，也可以作为静止无功补偿器运行。其中，所述的三相变流器交流侧可以与三相电网相连，也可以与交流负载相连。其中，所述的三相上桥臂功率管和三相下桥臂功率管既可以是金属氧化层半导体-场效晶体管(MOSFET)，也可以是绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。其中，所述的三相上桥臂续流二极管和三相下桥臂续流二极管既可以是功率管内部体二极管或集成二极管，也可以是外接快恢复二极管。其中，组成所述三相高频整流桥的二极管为快恢复二极管。本发明所述的一种三相变流器拓扑电路，每相功率管串联电感避免了桥臂直通问题，通过高频整流桥进行续流，不与功率管构成续流回路。该拓扑无需在上下桥臂互补驱动信号加入死区，并避免了二极管续流时冗余开关信号造成的功率损耗，能够实现变流器整流和逆变的自然切换，解决了传统三相电压源型变流器桥臂直通问题和双降压型变流器需屏蔽冗余开关信号以减小额外开关损耗以及过零点畸变的问题。
图I是本发明所述的带高频整流桥的无死区三相变流器拓扑电路示意图；图2是本发明关键波形不意图；图3是本发明处于开关模态I时的工作原理图；图4是本发明处于开关模态2时的工作原理图；图5是本发明处于开关模态3时的工作原理图；图6是本发明处于开关模态4时的工作原理图；图7是本发明所述三相变流器能量双向流动SVPWM控制框图。
具体实施例方式如图I所示，一种带高频整流桥的无死区三相变流器，包括直流侧支撑电容Cin、A 相上桥臂功率管SpA相下桥臂功率管S2、A相上桥臂续流二极管DpA相下桥臂续流二极管 D2> A相高频整流桥Bm、A相第一防直通滤波电感Lal、A相第二防直通滤波电感La2、B相上桥臂功率管S3、B相下桥臂功率管S4、B相上桥臂续流二极管D3、B相下桥臂续流二极管D4、 B相高频整流桥BA、B相第一防直通滤波电感Lbl、B相第二防直通滤波电感Lb2、C相上桥臂功率管s5、C相下桥臂功率管S6、C相上桥臂续流二极管D5、C相下桥臂续流二极管D6、C相高频整流桥Brc、c相第一防直通滤波电感Ld、C相第二防直通滤波电感Le2，其中直流侧支撑电容Cin的正极P分别与A相上桥臂功率管S1的上端、B相上桥臂功率管S3的上端、C相上桥臂功率管S5的上端、A相上桥臂续流二极管D1的阴极、B相上桥臂续流二极管D3的阴极和C相上桥臂续流二极管D5的阴极连接，直流侧支撑电容Cin的负极N分别与A相下桥臂功率管S2的下端、B相下桥臂功率管S4的下端、C相下桥臂功率管S6的下端、A相下桥臂续流二极管D2的阳极、B相下桥臂续流二极管D4的阳极和C相下桥臂续流二极管D6的阳极连接，A相上桥臂功率管S1的下端分别与A相上桥臂续流二极管D1的阳极和A相高频整流桥 Bra的第一输入端连接，A相下桥臂功率管S2的上端分别与A相下桥臂续流二极管D2的阴极和A相高频整流桥Bm的第二输入端连接，A相高频整流桥Bm的第一输出端与A相第一防直通滤波电感Lal的输入端连接，A相高频整流桥Bra的第二输出端与A相第二防直通滤波电感La2的输入端连接，A相第一防直通滤波电感Lal的输出端与A相第二防直通滤波电感 La2的输出端连接，B相上桥臂功率管S3的下端分别与B相上桥臂续流二极管D3的阳极和 B相高频整流桥Brt的第一输入端连接，B相下桥臂功率管S4的上端分别与B相下桥臂续流二极管D4的阴极和B相高频整流桥的第二输入端连接，B相高频整流桥Ba的第一输出端与B相第一防直通滤波电感Lbl的输入端连接，B相高频整流桥Ba的第二输出端与B相第二防直通滤波电感Lb2的输入端连接，B相第一防直通滤波电感Lbl的输出端与B相第二防直通滤波电感Lb2的输出端连接，C相上桥臂功率管S5的下端分别与C相上桥臂续流二极管D5的阳极和C相高频整流桥的第一输入端连接，C相下桥臂功率管S6的上端分别与 C相下桥臂续流二极管D6的阴极和C相高频整流桥Brc的第二输入端连接，C相高频整流桥 Brc的第一输出端与C相第一防直通滤波电感Lca的输入端连接，C相高频整流桥Brc的第二输出端与C相第二防直通滤波电感Le2的输入端连接，C相第一防直通滤波电感Lca的输出端与C相第二防直通滤波电感Le2的输出端连接。图2为本发明带高频整流桥的无死区三相AC/DC变流器关键波形示意图。电压电流参考方向如图I所示，^为A相交流侧电流，ial为流过A相第一防直通滤波电感Lal的电流，ia2为流过A相第二防直通滤波电感Lb2的电流，ib为B相交流侧电流， ibl为流过B相第一防直通滤波电感Lbl的电流，ib2为流过B相第二防直通滤波电感Lb2的电流，i。为C相交流侧电流，icl为流过C相第一防直通滤波电感Lcl的电流，ic2为 流过C相第二防直通滤波电感Le2的电流。则一个交流侧工频周期内可划分为四种工作模态，变流器各相工作模态相同，以A相为例，有ia = ial-ia2 (I)
忽略高频纹波，令
权利要求
1.一种带高频整流桥的无死区三相变流器，其特征在于包括直流侧支撑电容(Cin)、A 相上桥臂功率管(S1)、A相下桥臂功率管(S2)、A相上桥臂续流二极管(D1)、A相下桥臂续流二极管(D2)、A相高频整流桥(Bra)、A相第一防直通滤波电感(Lal)、A相第二防直通滤波电感(La2)、B相上桥臂功率管(S3)、B相下桥臂功率管(S4)、B相上桥臂续流二极管(D3)、B相下桥臂续流二极管(D4)、B相高频整流桥(Ba)、B相第一防直通滤波电感(Lbl)、B相第二防直通滤波电感(Lb2)、C相上桥臂功率管(S5)、C相下桥臂功率管(S6)、C相上桥臂续流二极管(D5)、C相下桥臂续流二极管(D6)、C相高频整流桥(BM)、C相第一防直通滤波电感(Lca)、 C相第二防直通滤波电感(Le2)，其中直流侧支撑电容(Cin)的正极P分别与A相上桥臂功率管(S1)的上端、B相上桥臂功率管(S3)的上端、C相上桥臂功率管(S5)的上端、A相上桥臂续流二极管(D1)的阴极、B相上桥臂续流二极管(D3)的阴极和C相上桥臂续流二极管(D5) 的阴极连接，直流侧支撑电容(Cin)的负极N分别与A相下桥臂功率管(S2)的下端、B相下桥臂功率管(S4)的下端、C相下桥臂功率管(S6)的下端、A相下桥臂续流二极管(D2)的阳极、B相下桥臂续流二极管(D4)的阳极和C相下桥臂续流二极管(D6)的阳极连接，A相上桥臂功率管(S1)的下端分别与A相上桥臂续流二极管(D1)的阳极和A相高频整流桥(Bm) 的第一输入端连接，A相下桥臂功率管(S2)的上端分别与A相下桥臂续流二极管(D2)的阴极和A相高频整流桥(Bm)的第二输入端连接，A相高频整流桥(Bra)的第一输出端与A相第一防直通滤波电感(Lal)的输入端连接，A相高频整流桥(Bm)的第二输出端与A相第二防直通滤波电感(La2)的输入端连接，A相第一防直通滤波电感(Lal)的输出端与A相第二防直通滤波电感(La2)的输出端连接，B相上桥臂功率管(S3)的下端分别与B相上桥臂续流二极管(D3)的阳极和B相高频整流桥(Ba)的第一输入端连接，B相下桥臂功率管(S4) 的上端分别与B相下桥臂续流二极管(D4)的阴极和B相高频整流桥(Brt)的第二输入端连接，B相高频整流桥(BJ的第一输出端与B相第一防直通滤波电感(Lbl)的输入端连接，B 相高频整流桥(BJ的第二输出端与B相第二防直通滤波电感(Lb2)的输入端连接，B相第一防直通滤波电感(Lbl)的输出端与B相第二防直通滤波电感(Lb2)的输出端连接，C相上桥臂功率管(S5)的下端分别与C相上桥臂续流二极管(D5)的阳极和C相高频整流桥(Bre) 的第一输入端连接，C相下桥臂功率管(S6)的上端分别与C相下桥臂续流二极管(D6)的阴极和C相高频整流桥(Bm)的第二输入端连接，C相高频整流桥(Brc)的第一输出端与C相第一防直通滤波电感(Lca)的输入端连接，C相高频整流桥(Bm)的第二输出端与C相第二防直通滤波电感(LJ的输入端连接，C相第一防直通滤波电感(LJ的输出端与C相第二防直通滤波电感(LJ的输出端连接。
2.如权利要求I所述的电路，其特征在于，所述的三相变流器控制策略可以完全采用传统三相桥式AC/DC变流器的空间矢量调制策略。
3.如权利要求I所述的电路，其特征在于，所述的三相变流器能够实现能量的双向流动，即其既可以作为整流器运行，也可以作为逆变器运行，也可以作为静止无功补偿器运行。
4.如权利要求1、3所述的电路，其特征在于，所述的三相变流器交流侧可以与三相电网相连，也可以与交流负载相连。
5.如权利要求I所述的电路，其特征在于，所述的三相上桥臂功率管和三相下桥臂功率管是既可以金属氧化层半导体-场效晶体管(MOSFET)，也可以是绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。
6.如权利要求I所述的电路，其特征在于，所述的三相上桥臂续流二极管和三相下桥臂续流二极管既可以是功率管内部体二极管或集成二极管，也可以是外接快恢复二极管。
7.如权利要求I所述的电路，其特征在于，组成所述三相高频整流桥的二极管为快恢复二极管。
全文摘要
本发明公开了一种带高频整流桥的无死区三相变流器，属于三相交直流变换领域。具体涉及一种无死区三相变流器拓扑结构，目的是应用于中高功率场合。在与传统三相桥式变流器采用相同的空间矢量控制算法的情况下减小交流侧的电流谐波含量，降低滤波器的规格，并能够实现能量的双向流动与自然切换，不造成额外的开关损耗。该变流器包括直流侧支撑电容、三相上桥臂功率管、三相下桥臂功率管、三相上桥臂续流二极管、三相下桥臂续流二极管、三相高频整流桥、三相第一防直通滤波电感、三相第二防直通滤波电感。本发明解决了传统三相电压源型桥式变流器的桥臂功率管直通问题和双降压型变流器需屏蔽冗余开关信号以减小额外开关损耗以及过零点畸变的问题。
文档编号H02M7/797GK102624277SQ20121011394
公开日2012年8月1日 申请日期2012年4月18日 优先权日2012年4月18日
发明者王勤, 田洋天, 肖岚, 郑昕昕 申请人:南京航空航天大学