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】本实用新型公开了一种单相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。本实用新型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] 本实用新型涉及一种单相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Η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C d。，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，文献与实用新型对上述Η桥变换电路提出改进措施，例如，在期刊《IEEE TRANSACTIONS 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 APPLICATI0NS》2000 年，第 36 卷，第5期，第 1419至 1429页中刊登"DC Ripple Current Reduction on a 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Η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 Power Electronics 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 Symmetrical Half-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Η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c d。，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。 实用新型内容
[0006] 本实用新型为了解决上述问题，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，本实用新型采用如下技术方案：
[0008] -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c 2，在交流侧输入端和直流侧正极端连接有电容q。
[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L1与B相桥臂连接。
[0010] 所述A相桥臂由串联的开关管S1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C1和电容C2组成，开关管S1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L1连接，电容C1和电容C2的 连接点与电感L1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] 本实用新型的有益效果为：
[0013] 本实用新型提供的电路相比于传统的Η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Η桥变换电路相比，本实用新型虽然需要一个电容桥臂，但所需电容 C1与C2值之和远小于原有Η桥变换电路所需直流侧电容的值，且所需电容C1与C2的耐压 值也小于Η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，本实用新型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，本实用新型在体积，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，本实用新型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，本实用新型还具有以下优点：
[0016] a.本实用新型节省两个开关管。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.本实用新型将原有Η桥变换器交流侧滤波电感一分为二，即分为L1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Η桥变换电 路，本实用新型无需附加电感，即相比于图2所示电路，本实用新型节省一个附加电感。
[0018] 相比于图3所示电路，本实用新型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.本实用新型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.本实用新型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，从而本实用新型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Η桥变换电路，本实用新型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。本实用新型减小了图1所示 Η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，本实用新型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，本实用新型不仅节约了直 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Η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为本实用新型的拓扑结构；
[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v c，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实用新型作进一步说明。
[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1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1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L1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L1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S1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C1和电容C2组成，开关管S1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L1连接，电容C1和电容C2的 连接点与电感L1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Η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1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 (1)
[0036] iac = / ?χ\{ω? 4 φ) 〔2〕
【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C 2，在交流侧输入端和直流侧正极端连接有电容q。
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L1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S1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C1和电容C2组成，开关管S1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L1连接，电容C1和电容C2的连接点与电感L1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】H02M1/14GK203840193SQ201420179126
【公开日】2014年9月17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