一种单相pwm整流器消除二次纹波电路的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种单相PWM整流器消除二次纹波电路，包括交流侧、变换器和直流侧，所述交流侧通过电感与变换器连接，变换器的另一侧与直流侧连接，在交流侧输入端和直流侧负极端连接有电容C2，在交流侧输入端和直流侧正极端连接有电容C1。本发明提供的电路相比于原有的H桥变换器，将交流侧滤波电感一分为二，并加入电容桥臂，既用于吸收二次纹波功率，又起到直流母线电压直撑的作用，从而既达到消减直流侧二次纹波，又替代原有直流侧大电容的目的。
【专利说明】一种单相PWM整流器消除二次纹波电路
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种单相PWM整流器消除二次纹波电路。
【背景技术】
[0002]在中小功率场合，单相PWM整流器得到非常广泛的应用。现有应用最广的PWM整流器为图1所示H桥变换器，但当交流侧电压为交流，输入电流为同频率的交流时，直流侧会产生二次纹波，该纹波会对直流侧电能质量，系统的稳定性，以及直流侧设备的使用寿命等都会造成不利的影响。传统的解决方法为在直流侧并联非常大电容Cd。，用来抑制二次纹波，但此方法会导致整个变换器的体积增大，造价上升，系统的功率密度大大降低。并且，该方法只能抑制并不能消除直流侧的二次纹波，当直流侧电压较高或对直流侧电压精度要求较高时，整个变换器的体积和造价更会大幅上升。
[0003]对此，文献与发明对上述H桥变换电路提出改进措施，例如，在期刊《IEEETRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS》1997 年，第 44 卷，第 4 期，第 447 至 455 页中刊登“A Unity Power Factor PWM Rectifier with DC Ripple Compensation，，一文(作者Toshihisa Shimizu等)提出在H桥变换器直流侧附加一组开关管桥臂,将二次纹波能量存储于交流侧滤波电容；期刊《IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS))2000 年,第 36 卷,第 5 期,第 1419 至 1429 页中刊登 “DC Ripple Current Reduction ona Single-Phase PWM Voltage-Source Rectifier” 一文(作者 Toshihisa Shimizu 等)提出在H桥变换器直流侧附加一组开关管桥臂，并将二纹波能量存储于附加电感中。专利号为CA02732525的加拿大专利提出一种消减直流侧二次纹波的方法，在H桥变换器直流侧并联双向斩波电路，可以将此二次纹波功率存储于附加电容中；在国际会议《Applied PowerElectronics Conference and Exposition2014》的会议论文集中的第 96-102 页刊登“Decoupling of Fluctuating Power in Single-Phase Systems Through a SymmetricalHalf-Bridge Circuit” 一文(作者Yi Tang等)提出在H桥变换器直流侧附加一组开关桥臂，一个电感和一个电容桥臂，将二次纹波功率存储于电容桥臂之中，如图2所示。
[0004]上述四种方法均为在不改变原有H桥变换电路的基础上，在变换器直流侧附加开关管，并且加入储能设备，通过控制附加开关管从而使二次纹波功率存储于储能设备中，它们均可以减小变换器的直流侧电容Cd。，使系统的功率密度升高，体积降低。但以上四种方法均需要额外附加两个开关管，大大增加了变换器的成本与系统出故障的概率，且由于附加开关管存在开关损耗与导通损耗，从而大大降低了变换器的效率。
[0005]在专利号为CN201210545899.6的申请文件中提出一种只使用四个开关管的PWM整流电路二次纹波消除电路，但该电路的直流电压利用率较低，即直流侧电压需要大大高于交流侧电压的峰值，因此大大减小了其可应用的范围，并对变换器的效率也会产生不利影响。
【发明内容】
[0006]本发明为了解决上述问题，提出了一种单相PWM整流器消除二次纹波电路，它具有用电容来吸收二次纹波功率，从而达到消减直流侧二次纹波的优点。
[0007]为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案:
[0008]一种单相PWM整流器消除二次纹波电路，包括交流侧、变换器和直流侧，所述交流侧通过电感与变换器连接，变换器的另一侧与直流侧连接，在交流侧输入端和直流侧负极端连接有电容C2，在交流侧输入端和直流侧正极端连接有电容Cf
[0009]所述交流侧分为第一交流端和第二交流端，所述变换器包括并联的A相桥臂、B相桥臂和电容桥臂，第一交流端通过电感L2与变换器的A相桥臂连接，第二交流端与电容桥臂连接，电容桥臂通过电感LI与B相桥臂连接。
[0010]所述A相桥臂由串联的开关管SI和开关管S2组成，B相桥臂由串联的开关管S3和开关管S4组成，电容桥臂由串联的电容Cl和电容C2组成，开关管SI和开关管S2的连接点与电感L2连接，开关管S3和开关管S4的连接点与电感LI连接，电容Cl和电容C2的连接点与电感LI和第二交流端的连接点相连。
[0011]所述开关管S1、开关管S2、开关管S3和开关管S4为场效应管或绝缘栅晶体管。
[0012]本发明的有益效果为:
[0013]本发明提供的电路相比于传统的H桥变换电路，加入电容桥臂，既用于吸收二次纹波功率，又起到直流母线电压直撑的作用，从而既达到消减直流侧二次纹波，又替代原有直流侧大电容的目的。
[0014]与图1所示的H桥变换电路相比，本发明虽然需要一个电容桥臂，但所需电容Cl与C2值之和远小于原有H桥变换电路所需直流侧电容的值，且所需电容Cl与C2的耐压值也小于H桥变换电路直流侧电容，这样就会大大减少变换器中电容的使用，使整个变换器的体积大大减小，造价大大下降；不仅如此，本发明还可以消减直流侧的二次纹波，消减原有二次纹波对直流侧设备的影响，尤其在直流侧电压较高或对直流侧电压精度要求较高时，本发明在体积，造价以及功率密度等方面优势更加明显。
[0015]与图2所示电路相比，本发明同样实现了将二次纹波功率存储于储能元件中的功能，消减了直流的二次纹波，在具有图2电路的功率密度高，体积小等优点的同时，相比于图2电路，本发明还具有以下优点:
[0016]a.本发明节省两个开关管。由于每个开关管都需要驱动、保护、缓冲电路和散热装置等一系列辅助电路或器件，这些装置以及开关管本身都会占用体积，产生损耗，增加系统故障概率，并且开关管工作时会产生导通与开关损耗，开关管的损耗是电力电子变换器中最主要的损耗，因此节省了开关管可使变换器的损耗大大下降，造价大大下降，体积减小，稳定性也会增加。
[0017]b.本发明将原有H桥变换器交流侧滤波电感一分为二，即分为LI与L2两个电感，由于两个电感都起到滤除交流侧开关纹波的功能。因此相比于图1所示H桥变换电路，本发明无需附加电感，即相比于图2所示电路，本发明节省一个附加电感。
[0018]相比于图3所示电路，本发明同样采用了四个开关管就可以实现将二次纹波功率存储于储能元件的功能，在具有图3电路的高效率，低造价的同时，还具有以下优点:
[0019]a.本发明还节约了直流侧电容Cd。，从而进一步减小了变换器中电容的使用。
[0020]b.本发明可以大幅增加变换器直流电压利用率，即直流电压值不再需要大幅高于交流电压的峰值，从而本发明的变换器具有更广的应用范围，并具有更高的效率。
[0021]相比于图1所示H桥变换电路，本发明用电容桥臂替代了直流侧电容，用以吸收二次纹波功率，从而可达到消减直流侧二次纹波的目的。本发明减小了图1所示H桥变换电路直流侧电容值，降低了变换器的体积与造价，对直流侧设备的寿命也会产生有利影响；相比于图2所示电路，本发明节省了两个开关管与一个电感，从而降低了变换器造价、损耗与体积，并增强了系统的稳定性。相比于图3所示，本发明不仅节约了直流侧电容而且增加了其直流电压利用率，从而具有更广的应用范围，并具有更高的效率。 【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1为现有H桥变换器拓扑结构
[0023]图2为现有6开关管消减直流侧二次纹波单相变换器电路拓扑；
[0024]图3为现有4开关管消减直流侧二次纹波单相变换器电路拓扑；
[0025]图4为本发明的拓扑结构；
[0026]图5为在装置稳态工作时第一交流端相对于直流侧负端的电压vD，电容桥臂中点电压vc，交流侧电压va。波形。
[0027]其中，1.交流侧，2.变换器，3.直流侧，4.电容桥臂，5.A相桥臂，6.B相桥臂，7.交
流电源或负载，8.直流电源或负载。
【具体实施方式】:
[0028]下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
[0029]如图4所示，一种单相电压型变换器消除二次纹波电路，它包括交流侧1、变换器2和直流侧3，所述交流侧I通过电感与变换器2连接，变换器2的另一侧与直流侧3连接。
[0030]所述交流侧I分为第一交流端和第二交流端，所述变换器2包括并联的电容桥臂4，A相桥臂5和B相桥臂6，第一交流端通过电感L2与变换器2的A相桥臂5连接，第二交流端与电容桥臂4连接，电容桥臂4通过电感LI与B相桥臂6连接。所述交流侧包括交流电源或负载7，交流电源或负载7 —侧与电感L2连接，另一侧与电感LI连接，所述直流侧3包括直流电源或负载8。
[0031]所述A相桥臂由串联的开关管SI和开关管S2组成，B相桥臂由串联的开关管S3和开关管S4组成，电容桥臂由串联的电容Cl和电容C2组成，开关管SI和开关管S2的连接点与电感L2连接，开关管S3和开关管S4的连接点与电感LI连接，电容Cl和电容C2的连接点与电感LI和第二交流端的连接点相连。
[0032]所述开关管S1、开关管S2、开关管S3和开关管S4为场效应管或绝缘栅晶体管。
[0033]如图1所示为现有H桥变换器电路；图2为现有6开关管消减直流侧二次纹波单相变换器电路拓扑；图3为现有4开关管消减直流侧二次纹波单相变换器电路拓扑；
[0034]如图4所示，当交流侧I电压为交流,输入电流为同频率的交流时,其电压、电流的表达式如下:
[0035]vac = Vsin ω t (I)
[0036]
1-1 sinC^ + φ)(2)[0037]V与I分别为输入电压，电流的峰值，ω为角频率，t为时间，P为电压与电流之间的夹角，即功率因数角
【权利要求】
1.一种单相PWM整流器消除二次纹波电路，其特征是:包括交流侧、变换器和直流侧，所述交流侧通过电感与变换器连接，变换器的另一侧与直流侧连接，在交流侧输入端和直流侧负极端连接有电容C2，在交流侧输入端和直流侧正极端连接有电容Cp
2.如权利要求1所述的一种单相PWM整流器消除二次纹波电路，其特征是:所述交流侧分为第一交流端和第二交流端，所述变换器包括并联的A相桥臂、B相桥臂和电容桥臂，第一交流端通过电感L2与变换器的A相桥臂连接，第二交流端与电容桥臂连接，电容桥臂通过电感LI与B相桥臂连接。
3.如权利要求1所述的一种单相PWM整流器消除二次纹波电路，其特征是:所述A相桥臂由串联的开关管SI和开关管S2组成，B相桥臂由串联的开关管S3和开关管S4组成，电容桥臂由串联的电容Cl和电容C2组成，开关管SI和开关管S2的连接点与电感L2连接，开关管S3和开关管S4的连接点与电感LI连接，电容Cl和电容C2的连接点与电感LI和第二交流端的连接点相连。
4.如权利要求1所述的一种单相PWM整流器消除二次纹波电路，其特征是:所述开关管S1、开关管S2、开关管S3和开关管S4为场效应管或绝缘栅晶体管。
【文档编号】H02M1/14GK103944365SQ201410148054
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年4月14日 优先权日:2014年4月14日
【发明者】王辉, 漆文龙 申请人:山东大学