整流器、整流电路及其控制方法与流程

本发明属于整流技术领域，尤其涉及一种整流器、整流电路及其控制方法。

背景技术：

传统的多电平整流拓扑为三电平整流电路或五电平整流电路，三电平整流电路并网谐波较五电平整流电路多，五电平整流电路使用的器件较三电平整流电路多。

技术实现要素：

本发明实施例提供了一种整流器、整流电路及其控制方法，能够较三电平整流电路减少并网谐波且能够较五电平整流电路采用更少的开关器件。

第一方面，提供了一种整流电路，包括变压器，依次同向连接的单向导通元件D1、D2和D3，依次同向连接的直流侧电容C1、C3和直流侧电容单元C2，两个反向串联的开关元件Q11、Q12，以及两个反向串联的开关元件Q21、Q22，其中，变压器包括正半边绕阻T11和负半边绕阻T12；单向导通元件D2的正极和负极分别与正半边绕阻T11和负半边绕阻T12相连接；单向导通元件D1的正极与直流侧电容C1的正极相连接，单向导通元件D2的负极通过两个反向串联的开关元件Q11、Q12与直流侧电容单元C2的正极相连接，单向导通元件D2的正极通过两个反向串联的开关元件Q21、Q22与直流侧电容单元C2的负极相连接，单向导通元件D3的负极与直流侧电容C3的负极相连接。

第二方面，提供了一种整流电路的控制方法，用于上述整流电路，包括：获取直流侧电容C1和C3两端的当前电平大小的步骤；基于直流侧电容C1和C3两端的当前电平大小和目标大小以及电容C1、电容C2、电容C3电容值与变压器的等效电感大小，计算开关元件Q11、开关元件Q12、开关元件Q21和开关元件Q22的占空比的步骤；以及，根据占空比对开关元件Q11、开关元件Q12、开关元件Q21和开关元件Q22进行接通及关断控制，已得到直流侧电容C1和C3两端的目标电平的步骤。

第三方面，提供了一种整流器，包括上述整流电路、一个交流输入单元和四个直流输出单元，交流输入单元与整流电路的变压器相连接，四个直流输出单元分别与直流侧电容C1和电容C3的正负极相连接。

第四方面，提供了一种整流器，包括三个并联的上述整流电路、三个交流输入单元和四个直流输出单元，三个交流输入单元用于分别输入三相交流电信号，分别与三个并联的整流电路的变压器相连接，四个直流输出单元分别与三个并联的整流电路的直流侧电容C1和电容C3的正负极相连接。

根据本发明实施例提供的整流器、整流电路及其控制方法，通过设置与交流输入端相连的设置有正半边绕阻和负半边绕阻的变压器，通过磁路能量转移，实现该整流电路的两个交流并网点，通过设置并控制整流电路中开关元件的通断，实现在三个电容的两端形成四电平，具有较三电平整流电路减少并网谐波且能够较五电平整流电路采用更少的开关器件的优点，同时该整流电路由于采用了较少的电器元件不仅节约了成本，而且避免了电器元件较多导致增加电路的封装难度的技术问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是一种四电平整流电路的拓扑图；

图2是本发明的一个实施例的整流电路的拓扑图；

图3是本发明的一个实施例的整流电路处于第一工作模态的拓扑图；

图4是本发明的一个实施例的整流电路处于第二工作模态的拓扑图；

图5是本发明的一个实施例的整流电路处于第三工作模态的拓扑图；

图6是本发明的一个实施例的整流电路处于第四工作模态的拓扑图；

图7是本发明的一个实施例的整流电路处于第五工作模态的拓扑图；

图8是本发明的一个实施例的整流电路处于第六工作模态的拓扑图；

图9是本发明的一种实施例的整流电路的控制方法的方法流程图；

图10是本发明的一种实施例的整流器的示意性框图；

图11是本发明的另一种实施例的整流器的示意性框图；

图12是本发明的一种实施例的整流电路的示例性应用示意图；

图13是本发明的另一种实施例的整流电路的示例性应用示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例。在下面的详细描述中，提出了许多具体细节，以便提供对本发明的全面理解。但是，对于本领域技术人员来说很明显的是，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明的更好的理解。本发明决不限于下面所提出的任何具体配置和算法，而是在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了元素、部件和算法的任何修改、替换和改进。在附图和下面的描述中，没有示出公知的结构和技术，以便避免对本发明造成不必要的模糊。

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明更全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中，为了清晰，可能夸大了区域和层的厚度。在图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。

此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本发明的技术方案而没有所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、材料等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、材料或者操作以避免模糊本发明的主要技术创意。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

图1是一种四电平整流电路的拓扑图。如图1所示，该四电平整流电路包括相互串联的开关元件Q1、开关元件Q2、开关元件Q3、开关元件Q4、开关元件Q5和开关元件Q6，直流输出侧相互串联的电容C1’、电容C2’和电容C3’，其中，开关元件Q2、开关元件Q3和开关元件Q4同向并联有相互串联的两个单向导通元件，两个单向导通元件的连接点与电容C2’的正极相连接，开关元件Q3、开关元件Q4和开关元件Q5同向并联有相互串联的两个单向导通元件，两个单向导通元件的连接点与电容C2’的负极相连接，还包括电感T12’，一端与开关元件Q3和开关元件Q4的连接点相连接，另一端在工作时与交流输入端相连接，四个电平分别形成在电容C1’和电容C3’的两极。

由此可见，上述四电平整流电路虽然能够较三电平整流电路减少并网谐波，但是采用的电器元件依然较多，由此加大了整流电路及其应用电路的成本，且由于半导体器件数量较多导致增加整流电路及其应用电路的封装难度的技术问题。

图2是本发明的一个实施例的整流电路的拓扑图。该整流电路，包括变压器，依次同向连接的单向导通元件D1、D2和D3，依次同向连接的直流侧电容C1、C3和直流侧电容单元C2，两个反向串联的开关元件Q11、Q12，以及两个反向串联的开关元件Q21、Q22，其中，假设直流侧电容C1的正极为第一电平用H表示，直流侧电容单元C2的正极和负极分别为第二电平和第三电平分别用MH和ML表示，直流侧电容C3的负极为第四电平用L表示。变压器与交流输入端的连接点用AC表示。变压器包括正半边绕阻T11和负半边绕阻T12；单向导通元件D2的正极和负极分别与正半边绕阻T11和负半边绕阻T12相连接；单向导通元件D1的正极与直流侧电容C1的正极相连接，单向导通元件D2的负极通过两个反向串联的开关元件Q11、Q12与直流侧电容单元C2的正极相连接，单向导通元件D2的正极通过两个反向串联的开关元件Q21、Q22与直流侧电容单元C2的负极相连接，单向导通元件D3的负极与直流侧电容C3的负极相连接。通过设置与交流输入端相连的设置有正半边绕阻和负半边绕阻的变压器，通过磁路能量转移，实现该整流电路的两个交流并网点，通过设置并控制整流电路中开关元件的通断，实现在三个电容的两端形成四电平，具有较三电平整流电路减少并网谐波且能够较五电平整流电路采用更少的开关器件的优点，同时该整流电路由于采用了较少的电器元件不仅节约了成本，而且避免了电器元件较多导致增加电路的封装难度的技术问题。

在一些示例中，该整流电路中的变压器的自感值可以为三电平整流电路或两电平整流电路的交流侧并网电感值。例如，可以使用自感较小的变压器，其自感值可以按三电平整流电路或两电平整流电路的并网电感值设计获得。当需要输出高电位电容的电平时，电流从变压器的正半边绕阻T11流过，其负半边绕阻T12由于阻抗限制相当于开路。此时变压器自感值起到限流作用；当从前述状态切换，需要输出低电位电容的电平时，由于磁路耦合，变压器正半边绕阻T11电流瞬间变为零，转移到变压器负半边绕阻T12输出，数值不变。通过上述的磁路能量转移，该变压器能够实现该整流电路的两个交流并网点。

在一些示例中，开关元件可以包括绝缘栅双极型晶体管、金属氧化物场效应晶体管或集成门极换流晶闸管。在一些示例中，单向导通元件可以为二极管。

图3是本发明的一个实施例的整流电路处于第一工作模态的拓扑图。如图3所示，该整流电路处于第一工作模态时：开关元件Q11，Q12，Q21和Q22均关断，交流侧电压为正值，电流由变压器正半边绕阻T11流入单向导通元件D1在直流侧电容C1的正极形成第一电平H。例如，当交流输出端电压为正值，电流为流入变压器的正半边绕阻T11，此时当开关元件Q11，Q12，Q21和Q22均关断，如图3中的具有方向的粗实线所示，电流流过变压器正半边绕阻T11、单元导通元件D1在直流侧电容C1的正极形成第一电平H。

图4是本发明的一个实施例的整流电路处于第二工作模态的拓扑图。如图4所示，该整流电路处于第二工作模态时：开关元件Q11和开关元件Q12开通，开关元件Q21和开关元件Q22关断，电流由变压器正半边绕阻T11流过开关元件Q11和开关元件Q12在直流侧电容单元C2的正极形成第二电平MH。例如，当开关元件Q11和Q12接通，开关元件Q21和Q22关断时，在直流侧电容C2的正极形成第二电平MH，如图4中的具有方向的粗实线所示，电流流过变压器正半边绕阻T11、开关元件Q11和Q12，需要说明的是，由于单向导通元件D2上有导通压降，导致电流不会流过变压器负半边绕阻T12和单向导通元件D2。

图5是本发明的一个实施例的整流电路处于第三工作模态的拓扑图；如图5所示，该整流电路处于第三工作模态时：开关元件Q11和开关元件Q12关断，开关元件Q21和开关元件Q22开通，变压器正半边绕阻T11上能量转移到变压器负半边绕阻T12上，如图5中的具有方向的粗实线所示，电流由开关元件Q22和开关元件Q21经变压器负半边绕阻T12流入在直流侧电容单元C2的负极形成第三电平。例如，当开关元件Q11和Q12关断，开关元件Q21和Q22接通时，在直流侧电容单元C2的负极形成第三电平ML，开关元件Q21和Q22接通时，变压器正半边绕阻T11上能量转移到负半边绕阻T12上，电流流过开关元件Q22、开关元件Q21和变压器负半边绕阻T12。

图6是本发明的一个实施例的整流电路处于第四工作模态的拓扑图；如图6所示，该整流电路处于第四工作模态时：开关元件Q11，Q12，Q21和Q22均关断，如图6中的具有方向的粗实线所示，电流由单向导通元件D3流入电流由变压器负半边绕阻T12，在直流侧电容C3的负极形成第四电平L。例如，当交流输出端电压相对MH电平为低时，电流为流出变压器的负半边绕阻T12，当开关元件Q11，Q12，Q21和Q22关断时，在直流侧电容C3的负极形成第四电平L，电流流过单向导通元件D3和变压器负半边绕阻T12。

图7是本发明的一个实施例的整流电路处于第五工作模态的拓扑图。如图7所示，该整流电路处于第五工作模态时：开关元件Q11和开关元件Q12关断，开关元件Q21和开关元件Q22接通，如图7中的具有方向的粗实线所示，电流由开关元件Q22和开关元件Q21流入变压器负半边绕阻T12，在直流侧电容单元C2的负极形成第三电平。其中，由于单向导通元件D2上有导通压降，导致电流不会流过变压器正半边绕阻T11和单向导通元件D2。

图8是本发明的一个实施例的整流电路处于第六工作模态的拓扑图。如图8所示，该整流电路处于第六工作模态时：开关元件Q11和开关元件Q12导通，开关元件Q21和开关元件Q22关断，变压器正半边绕阻T12上能量转移到变压器负半边绕阻T11上，如图8中的具有方向的粗实线所示，电流由变压器正半边绕阻T11、开关元件Q11和开关元件Q12在直流侧电容单元C2的正极形成第二电平。

上文中结合图2至图8，详细描述了根据本发明实施例的整流电路以及其各个工作模态。下面将结合图9，详细描述根据本发明实施例的整流电路的控制方法，该整流电路的控制方法根据直流侧电容两端的目标电平大小计算获得开关元件Q1、开关元件Q2、开关元件Q3和开关元件Q4的适当的占空比，从而可以实现对整流电路输出的四个电平的大小及时间进行控制。

图9是本发明的一种实施例的整流电路的控制方法的方法流程图。如图9所示，该整流电路的控制方法，用于上述整流电路，包括：S910，获取直流侧电容C1和C3两端的当前电平大小；S920，基于直流侧电容C1和C3两端的当前电平大小和目标大小以及电容C1、电容C2、电容C3电容值与变压器的等效电感大小，计算开关元件Q11、开关元件Q12、开关元件Q21和开关元件Q22的占空比；以及S930，根据占空比对开关元件Q11、开关元件Q12、开关元件Q21和开关元件Q22进行接通及关断控制，已得到直流侧电容C1和C3两端的目标电平。上述占空比应用于该整流电路时输出的直流电压即可跟踪目标电压值。通过设置并控制整流电路中开关元件的通断，实现在三个电容的两端形成四电平，具有较三电平整流电路减少并网谐波且能够较五电平整流电路采用更少的开关器件的优点，同时该整流电路由于采用了较少的电器元件不仅节约了成本，而且避免了电器元件较多导致增加电路的封装难度的技术问题。

图10是本发明的一种实施例的整流器的示意性框图。如图10所示，一种整流器10，可以包括上述整流电路1020、一个交流输入单元1010和四个直流输出单元1031、1032、1033、1034，交流输入单元1010与整流电路1020的变压器相连接，四个直流输出单元1031、1032、1033、1034分别与直流侧电容C1和直流侧电容C3的正负极相连接，四个直流输出单元1031、1032、1033、1034可以分别输出高电平H，较高电平MH，较低电平ML和低电平L。

图11是本发明的另一种实施例的整流器的示意性框图。如图11所示，该整流器11，可以包括三个并联的上述整流电路1121、1122、1123、三个交流输入单元和四个直流输出单元，三个交流输入单元用于分别输入三相交流电信号，分别与三个并联的整流电路的变压器相连接，四个直流输出单元分别与三个并联的整流电路的直流侧电容C1和直流侧电容C3的正负极相连接。例如，三个交流输入单元分别为三个交流输入单元a相1111、三个交流输入单元b相1112和三个交流输入单元c相1113，上述三个交流输入单元可以分别于交流输入端的三相交流电相连接。例如，四个直流输出单元可以分别为三个交流输入单元中的电容C1和电容C3的正负极，四个直流输出单元1131、1132、1133、1134可以分别输出高电平H，较高电平MH，较低电平ML和低电平L。

图12是本发明的一种实施例的整流电路的示例性应用示意图。如图12所示，包括交流电源121和整流电路122，其中，交流电源121为单相交流电源，整流电路122包括，依次同向连接的单向导通元件D1、D2和D3，依次同向连接的直流侧电容C1、C3和直流侧电容单元C2a、C2b，两个反向串联的开关元件Q11、Q12，以及两个反向串联的开关元件Q21、Q22，其中，假设直流侧电容C1的正极为第一电平用H表示，直流侧电容单元C2a的正极和C2b负极分别为第二电平和第三电平分别用MH和ML表示，直流侧电容C3的负极为第四电平用L表示。变压器与交流电源121的输入端相连接，交流电源121的输出端与直流侧电容单元C2a的正极和C2b的连接点向连接后接地。变压器包括正半边绕阻T11和负半边绕阻T12；单向导通元件D2的正极和负极分别与正半边绕阻T11和负半边绕阻T12相连接；单向导通元件D1的正极与直流侧电容C1的正极相连接，单向导通元件D2的负极通过两个反向串联的开关元件Q11、Q12与直流侧电容单元C2a的正极相连接，单向导通元件D2的正极通过两个反向串联的开关元件Q21、Q22与直流侧电容单元C2b的负极相连接，单向导通元件D3的负极与直流侧电容C3的负极相连接。

图13是本发明的另一种实施例的整流电路的示例性应用示意图。如图13所示，其中，交流电源131、交流电源132和交流电源133分别于整流电路134、整流电路135、整流电路136的输入端相连接，交流电源131、交流电源132和交流电源133分别输出三相交变电流。整流电路134、整流电路135、整流电路136的电容C1和电容C3的正负极可以分别输出高电平H，较高电平MH，较低电平ML和低电平L。需要说明的是，上述示例性应用只是上述整流电路的应用电路的一些示例性说明，并不局限于以上两种电路应用中。

需要明确，本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定配置和处理。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。在上述实施例中，描述和示出了若干具体的步骤作为示例。但是，本发明的方法过程并不限于所描述和示出的具体步骤，本领域的技术人员可以在领会本发明的精神后作出各种改变、修改和添加，或者改变步骤之间的顺序。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。