基于单相网格三电平伪图腾柱的直流充电器

本发明涉及电力电子电能变换技术领域，具体涉及一种基于单相网格三电平伪图腾柱的直流充电器。

背景技术：

随着近几年经济的飞速发展，电动汽车保有量不断攀升，发展纯电动汽车最重技术之一要是充电技术，大量充电站和充电桩的建设带来的大量充电设备接入电网，充电电源的性能会对电网和充电设备带来不同的影响。传统单相充电器的前端由于二极管整流桥的存在，使得充电器器的效率无法进一步提高，而全桥型的交直流变换器用全控开关管代替二极管作为整流桥，直流充电器的效率得到提高的同时，也带来了桥臂直通、开关损耗增大等问题。其中，伪图腾柱两电平整流电路结构以高效率、无桥臂直通的特点占据优势。但是伪图腾柱两电平器件承受直流侧电压，器件承受电压大、管子通态损耗大等问题，使得基于两电平伪图腾柱结构的直流充电器成本高、效率等问题。另外，两电平伪图腾柱结构限制直流充电器在中高压功率直流充电场合下的应用。

技术实现要素：

本发明提供一种基于单相网格三电平伪图腾柱的直流充电器，将传统的伪图腾柱式结构与三电平整流桥结合，利用一对双向开关管结构保持伪图腾柱两电平整流器优势的同时，利用三电平技术解决两电平整流器功率器件所受电压应力高的问题。该三电平整流器提高了电路的可靠性、降低开关电压应力、提高电流正弦度、降低了谐波含量。

本发明采取的技术方案为：

基于单相网格三电平伪图腾柱的直流充电器，该直流充电器包括：

伪图腾柱桥臂、滤波电路、单相网格三电平整流桥；

所述伪图腾柱桥臂包括开关管：s1、s2，二极管d3、d4；

所述滤波电路包括电感l1、l2；

所述单相网格三电平整流桥包括二极管d1、d2，双回路网孔双向开关管、电容c1、c2、负载rl；

双回路网孔双向开关管包括开关管s3、s4，二极管d5、d6，开关管s5、s6，二极管d7、d8；

交流电源us一端分别连接二极管d1阳极、二极管d2阴极，交流电源us另一端分别连接电感l1一端、电感l2一端；

电感l1另一端分别连接二极管d3阳极、开关管s1漏极、开关管s3源极、开关管s4漏极；

电感l2另一端分别连接二极管d4阴极、开关管s2源极、开关管s5源极、开关管s6漏极；

开关管s3漏极连接二极管d5阴极，二极管d5阳极连接二极管d6阴极，二极管d6阳极连接开关管s4源极；

开关管s5漏极连接二极管d7阴极，二极管d7阳极连接二极管d8阴极，二极管d8阳极连接开关管s6源极；

二极管d1阴极分别连接二极管d3阴极、开关管s2漏极、电容c1正极；

二极管d2阳极分别连接二极管d4阳极、开关管s1源极、电容c2负极；

电容c1负极分别连接二极管d5阳极、二极管d6阴极、二极管d7阳极、二极管d8阴极；

负载rl两端分别连接电容c1正极、电容c2负极。

所述伪图腾柱桥臂由全控开关管和二极管组成一对不对称的整流桥臂，每支桥臂包括1个功率开关器件，1个钳位二极管。

所述单相网格三电平整流桥包含两个双向开关开关管，任意一个双向开关开关管由2个全控型开关管和2个二极管组成，与电感l1相连的结构为上网孔型双向开关，与电感l2相连的结构为下网孔型双向开关。

所述单相网格三电平整流桥中包含两个相同结构的网孔双向开关，分别与两并联电感l1、l2连接，用于控制电感电流在电容之间的双向流通，实现桥臂之间的三电平输出。

该直流充电器电路在交流电源的一端并联两个相同的电感，双管结构升压变换器使得部分开关管电压/电流应力较低，开关管的导通损耗小，电压增益更高。

基于单相网格三电平伪图腾柱的直流充电器中的桥臂采用伪图腾住式结构，保留伪图腾柱式结构不存在桥臂直通隐患、无开关管体二极管反向恢复问题，可靠性高、效率高等优点。所述开关管s1～s6均为带有体二极管的mosfet(金属-氧化物半导体场效应晶体管)或igbt(绝缘栅双极型晶体管)。

本发明一种基于单相网格三电平伪图腾柱的直流充电器，具有如下有益效果：

1)本发明采用伪图腾柱式结构，保留伪图腾柱整流器无桥臂直通隐患、无开关管体二极管反向恢复问题、可靠性高、效率高等优点。

2)本发明将伪图腾柱结构与单相网格三电平整流桥相结合，在传统的伪图腾整流器的基础上，增加一组二极管桥臂和双向开关管，降低了开关应力，解决了开关管耐压高的问题，适合高压输出场合。

3)本发明采用双回路网孔双向开关管分别与电感l1、l2相连，单个网孔双向开关管的损坏不会影响电路的三电平输出，使得直流充电电路的可靠性大大提高。

4)本发明基于单相网格三电平伪图腾柱的直流充电器，融合伪图腾柱整流技术及三电平拓扑技术，相对于传统的升压功率因数校正整流器，能有效地降低开关管的应力，开关管的导通损耗小，且不存在桥臂直通现象；同时由于电路中存在网孔型双向开关支路，基于单相网格三电平伪图腾柱的直流充电器的可靠性被大大提高。

附图说明

图1为本发明一种基于单相网格三电平伪图腾柱的直流充电器主拓扑结构图。

图2为本发明一种基于单相网格三电平伪图腾柱的直流充电器工作状态阶段一图。

图3为本发明一种基于单相网格三电平伪图腾柱的直流充电器工作状态阶段二图。

图4为本发明一种基于单相网格三电平伪图腾柱的直流充电器工作状态阶段三图。

图5为本发明一种基于单相网格三电平伪图腾柱的直流充电器工作状态阶段四图。

图6为本发明一种基于单相网格三电平伪图腾柱的直流充电器工作状态阶段五图。

图7为本发明一种基于单相网格三电平伪图腾柱的直流充电器工作状态阶段六图。

图8为本发明一种基于单相网格三电平伪图腾柱的直流充电器中开关管s1～s6对应的脉冲分配图。

图9为本发明一种基于单相网格三电平伪图腾柱的直流充电器稳定状态下输入侧电压电流波形图。

图10为本发明一种基于单相网格三电平伪图腾柱的直流充电器稳定状态下电感l1的电流波形图。

图11为本发明一种基于单相网格三电平伪图腾柱的直流充电器稳定状态下电感l2的电流波形图。

图12为本发明一种基于单相网格三电平伪图腾柱的直流充电器稳定状态下电压ub1o波形图。

图13为本发明一种基于单相网格三电平伪图腾柱的直流充电器稳定状态下电压ub2o波形图。

图14为本发明一种基于单相网格三电平伪图腾柱的直流充电器稳定状态下直流输出电压udc波形图。

具体实施方式

如图1所示，基于单相网格三电平伪图腾柱的直流充电器，该直流充电器包括一对伪图腾柱桥臂、滤波电路、单相网格三电平整流桥。

所述一对伪图腾柱桥臂结构包括两个全控功率开关管s1、s2，2个普通二极管d3、d4，由全控开关管和二极管组成一对不对称的整流桥臂，每支桥臂包括1个功率开关器件，1个钳位二极管。s1漏极与电感l1和二极管d3阳极相连于节点b1，s2源极与电感l2和二极管d4阴极相连于节点b2。

所述滤波电路由滤波电感l1和l2组成，两个电感完全一致，分别与全控开关管s1的漏极、s2的源极相连，另一端并联接在交流电源的正极上，定义交流电源的负极为节点o。

所述单相网格三电平整流桥由2个二极管d1、d2、一对双向开关管以及2个电容c1、c2和一个负载rl组成。其中，二极管d1阳极连接二极管d2阴极，二极管d1、d2连接点连接交流电源的负极于点o；网孔双向开关管结构由2个全控型开关管和2个普通二极管组成，该单相网格三电平整流桥包含双回路网孔双向开关管，定义与电感l1相连的结构为上网孔双向开关，与电感l2相连的结构为下网孔双向开关。

上网孔双向开关包括2个全控型开关管s3、s4，以及2个普通二极管d5、d6，全控型开关管s3的源极与全控型开关管s4的漏极相连，其连接点以电感l1连接于点b1，全控型开关管s3的漏极与二极管d5的阴极串联，全控型开关管s4的源极与二极管d6的阳极串联，二极管d5的阳极与二极管d6的阴极相连。

下网孔双向开关与上网孔双向开关一致，全控型开关管s5的源极与全控型开关管s6的漏极相连，其连接点与电感l2连接于节点b2，全控型开关管s6的源极与二极管d8的阳极串联，全控型开关管s5的漏极和二极管d7的阴极串联，二极管d7的阳极和二极管d8的阴极相连，下网孔双向开关与下网孔双向开关并联与分裂电容c1、c2的连接点相连于节点n。电容c1的正极和电容c2的负极分别与负载相连，二极管d1、d3的阴极与开关管s2的漏极相连，其连接点与电容c1的正极相交于节点p，二极管d2、d4的阳极与开关管s1的源极相连，其连接点与电容c2的负极相交于节点m。

具体实验参数如下：

基于单相网格三电平伪图腾柱的直流充电器输入侧中电网电压有效值为220v，频率50hz,直流侧输出电压400v，开关频率为20khz，滤波电感l1＝l2＝3mh，负载rl的阻值为80ω，输出电容c1＝c2＝4700μf。

基于单相网格三电平伪图腾柱的直流充电器，电路正常工作时，稳定状态下共有六种工作模式：

(1)正半周期的三种工作模式：

如图2所示，模式一：开关管s1～s6全部关断，交流电源us和电感l1与电感l2向负载rl提供能量，二极管d2、d3以及开关管s2上的体二极管正偏导通，直流输出电压udc>us，电感电流线性减少，电容c1、c2处于充电状态，充电电流等于is-idc,电压ub1o＝ub2o＝uc1+uc2＝+udc；

如图3所示，模式二：开关管s1、s2、s3、s5关断，开关管s4、s6导通，电容c2充电，充电电流为is-idc，电容c1向负载放电，提供电流idc，电压ub1o＝ub2o＝uc1＝+udc/2；

如图4所示，模式三：开关管s2～s6全部关断，开关管s1导通，二极管d2正偏导通，交流电源us向电感l1充电，电感l1电流呈现线性上升，电容c1和c2向负载rl放电，此时电压ub1o＝0，ub2o＝us；

(2)负半周期三种工作方式：

如图5所示，模式四：开关管s2导通，开关管s1、s3、s4、s5、s6关断，二极管d1正偏导通，交流电源us向电感l2充电，电感l2电流呈现线性上升，电容c1和c2继续向负载rl放电，此时电压ub2o＝0,ub1o＝us；

如图6所示，模式五：开关管s3、s5导通，开关管s1、s2、s4、s6关断，电容c1充电，充电电流为-is-idc，电容c2向负载放电,提供电流idc，电压ub1o＝ub2o＝uc2＝-udc/2；

如图7所示，模式六：开关管全关断，交流电源us和电感l1与电感l2向负载rl提供能量，二极管d4、d1和开关管s2上的体二极管正偏导通，直流输出电压udc>us，电感电流线性减少，电容c1、c2处于充电状态，充电电流等于is-idc,电压ub1o＝ub2o＝-uc1-uc2＝-udc；

在图2～图7所示的六种工作模式下，网侧输入电流is在模态一、二、五和六下返回路径均有两条，即在一个工频周期内，模态三中只有电感l1有电流，模态四中只有电感l2有电流外，其他模态下，均有电流流过两个电感。表1是本发明实施中开关管s1～s6六种工作模式表。

表1开关管s1～s6六种工作模式表

如表1所示，在一个周期内，电路共有六种工作模式，当us>0时，有0、+udc/2、+udc三种状态；当us<0时，有0、-udc/2、-udc三种状态，在不同的工作模式下，系统各参数也随之变化，其中，用1表示开关管的导通，用0表示开关管的关断。图8是本发明电路中开关管s1～s6在一个周期中的脉冲分配图，其中将门极驱动电压单位化，用1表示对该开关管施加门极电压，用0表示未对该开关管施加门极电压。

由图9所示，将交流电压乘以0.1倍的增益，与电感电流用一个示波器进行比较，交流输入电压与输入电流同相位，能实现高功率因数；

图10是流过电感l1的电流，用字母il1表示，图11是流过电感l2的电流，用字母il2表示，验证了除零模态，其他的状态下两电感均有电流通过；

图12是电压ub1o波形图，图13是电压ub2o波形图，如图12、图13所示，电压ub1o在正半周期能产生三电平电压，由于开关管切换时有冗余模态，因此电压在+udc模态时存在直接切换至+0模态的情况，电压ub2o在负半周期产生与ub2o对称的三电平电压；图14表明，该直流充电器实现了直流输出电压稳定。