一种z源三电平pwm整流器及其控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种Z源三电平PWM整流器及其控制方法。
【背景技术】
[0002] 与传统的不控整流和相控整流相比，PWM整流器实现了网侧电流的正弦化，且可以 运行于单位功率因数，因此具有功率因数高，输出电压纹波小，动态响应好等优点。PWM整流 器分为电压型整流器（VSR)和电流型整流器（CSR)两种，其中电压型整流器具有电能双向 传输，功率因数校正，减小输入谐波等优点，应用较为广泛。电流型整流器虽然具有电路保 护和较快电流响应的优点，但是其交流侧电容和直流侧电感庞大的体积需要限制了它的应 用。普通的电压型整流器只具备升压整流的功能，在直流侧输出电压小于交流侧输入电压 的场合，需要加入DC/DC升压模块，增加了成本和设计难度。此外直通状态带来的电磁干扰 会对其造成损害，降低它的抗干扰能力和运行稳定性。
[0003] 为了改善传统电压型整流器的不足，有人提出了一种Z源两电平PWM整流器。该 整流器克服了电压型PWM整流器不能降压的缺陷，能够实现升降压的功能，从而将两级式 结构简化为一级式结构。并且该结构允许每个桥臂的两个管子同时导通，提高了系统的安 全性。
[0004] 两电平PWM整流器的不足之处在于当其应用于高压大功率的场合时，需使用高反 压的功率开关管，或将多个功率开关管串联使用。此外由于该结构整流器交流侧输出电压 总在两电平上切换，当开关频率不高时，将导致谐波含量相对较大。较之两电平，三电平整 流器在提高耐压等级的同时，有效的降低了交流谐波电压和电流，在相同的开关频率和控 制方式下能显著改善其网侧波形质量，减小畸变。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的就是为了解决上述问题，提出了一种Z源三电平PWM整流器及其控 制方法，该结构在三电平整流器和负载之间加入了 Z源网络，并在Z源右侧加入开关管Swi 和Sw2对直流侧回路进行控制。使用该控制方法的Z源三电平整流器，能够输出小于输入电 压幅值的直流电压，并且允许主电路每一路开关管直通，提高整流器的抗干扰能力。
[0006] 为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0007] -种Z源三电平PWM整流器，其特征是，包括并联的三相桥臂，每相桥臂包括四个 串联的开关管，各相桥臂的中点经电感与电网或交流源相连作为该整流器的输入源；并联 的各桥臂输出端与Z源网络的输入端相连；Z源网络的输出端上下分别串接开关管S wi和 Sw2;其后输出端与电容C i和电容C2的串联支路并联连接，电容C i和电容C 2的串联支路与 直流负载连接；
[0008] 通过控制电路控制整流器三相桥臂的开关管以及Z源网络右侧的开关管Swi和S W2 的导通与关断，使Z源三电平PWM整流器分别运行于非直通、全直通、上直通和下直通四种 运行模式。
[0009] 所述三相桥臂中，分别在每一相桥臂中的第一开关管和第四开关管之间串接一对 二极管，同时二极管的中点与电容C 1和电容C 2串联支路的中点相连。
[0010] 所述Z源网络由接成类X型的两个电容和两个电感构成，该网络是一个对称结构， 两电容电容值相同，两电感电感量相同，所述Z源网络左侧连接整流器的输出端、右侧输出 作为直流负载的输入端。
[0011] 所述开关管Swi和Sw2都是由IGBT和二极管反并联组合而成；开关管S wi和Sw2的 开断取决于整流器运行于何种模式下：
[0012] 当整流器处于非直通模式时，开关管Swi和Sw2的IGBT都接收开通信号；当整流器 处于全直通模式时，开关管S wi和Sw2的IGBT都接收关断信号；当整流器处于上直通模式时， 开关管Swi的IGBT接收开通信号，开关管S W2的IGBT接收关断信号；当整流器处于下直通 状态时，开关管Swi的IGBT接收关断信号，开关管S W2的IGBT接收开通信号。
[0013] 所述控制电路包括保护电路、驱动电路、采样调理电路以及DSP模块，采样调理电 路连接DSP模块，DSP模块与保护电路双向通信，DSP模块连接驱动电路，驱动电路输出PWM 信号驱动桥臂中IGBT管的开通与关断。
[0014] 所述采样调理电路采集输入三相交流电压以及三相电流的幅值及相位、Z源网络 电容电压以及直流侧输出的电压值大小。
[0015] 一种Z源三电平PWM整流器的控制方法，包括：
[0016] 采用SPWM调制方法，整体分为两部分：一部分是整流器传统的电压电流双闭环控 制，一部分是直流侧直流输出的闭环控制；
[0017] 在整流器传统的电压电流双闭环控制中，将Z源网络电容电压作为被控量并进行 初始给定；
[0018] 在双闭环的基础之上，加入负载侧直流电压的闭环使得直流侧输出可以任意设 定；
[0019] 对于Z源三电平整流器，给定Z源电容的参考值V。*和负载侧直流电压参考值 Ud。*，根据直通类型得出相应的初始占空比Cltl;负载侧直流电压参考值U d。*与负载侧直流电 压实际值Ud。作差经过PI调节得到直通偏移量d*，最终得到实际占空比d满足d = d Jd* ; 然后将信号d和双闭环调节生成的参考信号给SPWM控制器，从而实现负载侧直流电压的恒 定输出。
[0020] 在一个开关周期内，当上下直通信号绝对值相同时，载波反相调制只会产生全直 通状态，载波同相调制则会产生上直通和下直通两种状态；
[0021] 在全直通模式下，Z源网络电容电压V。和直流输出电压V d。满足：
[0022]
【主权项】
1. 一种Z源立电平PWM整流器，其特征是，包括并联的立相桥臂，每相桥臂包括四个串 联的开关管，各相桥臂的中点经电感与电网或交流源相连作为该整流器的输入源；并联的 各桥臂输出端与Z源网络的输入端相连；Z源网络的输出端上下分别串接开关管5"和S心 其后输出端与电容Cl和电容C2的串联支路并联连接，电容Cl和电容C2的串联支路与直流 负载连接； 通过控制电路控制整流器S相桥臂的开关管W及Z源右侧开关管5"和8"2的导通与关 断，使得Z源=电平PWM整流器分别运行于非直通、全直通、上直通和下直通四种运行模式。
2. 如权利要求1所述的一种Z源；电平PWM整流器，其特征是，所述立相桥臂中，分别 在每一相桥臂中的第一开关管和第四开关管之间串接一对二极管，同时二极管的中点与电 容Cl和电容C2串联支路的中点相连。
3. 如权利要求1所述的一种Z源S电平PWM整流器，其特征是，所述Z源网络由接成 类X型的两个电容和两个电感构成，该网络是一个对称结构，两电容电容值相同，两电感电 感量相同，所述Z源网络左侧连接整流器的输出端、右侧输出作为直流负载的输入端。
4. 如权利要求1所述的一种Z源立电平PWM整流器，其特征是，所述开关管S"和S 都是由IGBT和二极管反并联组合而成；开关管5"和S的开断取决于整流器运行于何种 模式下： 当整流器处于非直通模式时，开关管5"和S"2的IGBT都接收开通信号；当整流器处于 全直通模式时，开关管5"和S"2的IGBT都接收关断信号；当整流器处于上直通模式时，开 关管5"的IGBT接收开通信号，开关管S的IGBT接收关断信号；当整流器处于下直通状 态时，开关管5"的IGBT接收关断信号，开关管S的IGBT接收开通信号。
5. 如权利要求1所述的一种Z源S电平PWM整流器，其特征是，所述控制电路包括保护 电路、驱动电路、采样调理电路W及DSP模块，采样调理电路连接DSP模块，DSP模块与保护 电路双向通信，DSP模块连接驱动电路，驱动电路输出PWM信号驱动桥臂中IGBT管的开通 与关断。
6. 如权利要求5所述的一种Z源=电平PWM整流器，其特征是，所述采样调理电路采集 输入=相交流电压W及=相电流的幅值及相位、Z源网络电容电压W及直流侧输出的电压 值大小。
7. -种如权利要求1所述的Z源S电平PWM整流器的控制方法，其特征是，包括： 采用SPWM调制方法，整体分为两部分；一部分是整流器传统的电压电流双闭环控制， 一部分是直流侧直流输出的闭环控制； 在整流器传统的电压电流双闭环控制中，将Z源网络电容电压作为被控量并进行初始 给定； 在双闭环的基础之上，加入负载侧直流电压的闭环使得直流侧输出可W任意设定； 对于Z源=电平整流器，给定Z源电容的参考值V。*和负载侧直流电压参考值Ud。*，根 据直通类型得出相应的初始占空比d。;负载侧直流电压参考值Ud。*与负载侧直流电压叫。 作差经过PI调节得到直通偏移量d*，最终得到实际占空比d满足d=屯+d*;然后将信号 d和双闭环调节生成的参考信号给SPWM控制器，从而实现负载侧直流电压的恒定输出。
8. 如权利要求7所述的一种Z源=电平PWM整流器的控制方法，其特征是， 在一个开关周期内，当上下直通信号绝对值相同时，载波反相调制只会产生全直通状 态，载波同相调制则会产生上直通和下直通两种状态； 在全直通模式下，Z源网络电容电压V。和直流输出电压Vd。满足：
在上下直通模式下，Z源网络电容电压V。和直流输出电压Vd。满足：
其中，Vi为Z源输入侧电压，T是整流器的一个开关周期，T。是一个开关周期内的直通 时间，d是全直通占空比，d'是上下直通占空比。
9. 如权利要求1所述的一种Z源=电平PWM整流器的控制方法，其特征是，所述全直通 模式下，S相桥臂中某一相或某几相的四个开关管同时导通；此时开关管5"和8"2同时断 开，Z源网络和直流侧电路完全断开。
10. 如权利要求1所述的一种Z源S电平PWM整流器的控制方法，其特征是，所述上 直通模式下，S相桥臂中的某一相或某几相的上面S个开关管同时导通，此时开关管S"2断 开，开关管S"导通，与直流侧的电容C1构成电流回路； 所述下直通模式下，=相桥臂中的某一相或某几相的下面=个开关管同时导通，此时 开关管S"断开，开关管S"2导通，与直流侧的电容C2构成电流回路。
【专利摘要】本发明涉及一种Z源三电平PWM整流器及其控制方法，包括并联的三相桥臂，每相桥臂包括四个串联的开关管，各相桥臂的中点经电感与电网或交流源相连作为该整流器的输入源；并联的各桥臂输出端与Z源网络的输入端相连；Z源网络的输出端上下分别串接开关管SW1和SW2；其后输出端与电容C1和电容C2的串联支路并联连接，电容C1和电容C2的串联支路与直流负载连接；本发明的拓扑不仅可以实现降压输出，而且允许上、下桥臂直通，可靠性明显增加，消除死区时间，防止波形畸变；Z源三电平整流器能够在提高耐压等级的同时，有效地降低交流谐波电压和电流，在相同的开关频率和控制方式下改善其网侧波形的质量，减小畸变。
【IPC分类】H02M7-219, H02M1-14, H02M1-44
【公开号】CN104796019
【申请号】CN201510168567
【发明人】张承慧, 石秀岩, 陈阿莲, 邢相洋
【申请人】山东大学
【公开日】2015年7月22日
【申请日】2015年4月10日