专利名称：单级双向升降压整流器的制作方法
技术领域：
本发明涉及单级双向升降压整流器，属于电力电子变换器的技术领域。
背景技术：
整流器广泛应用于通信电源，不间断供电电源，蓄电池充电电源等场合。传统的整流器电路拓扑包括电压源整流器和电流源整流器两类。电压源整流器的输出电压高于交流输入电压，因此电压源整流器本质上是一个升压型整流器，为了实现降压变换的功能，需要额外增加一级降压变换电路，导致变换器整体结构复杂。电流源整流器本质上是一个降压型整流器，为了实现升压变换的功能，需要额外增加一级升压变换电路，导致变换器整体结构复杂。电流源整流器只能实现单向功率传输，能量不能双向流动。为了解决电压源整流器和电流源整流器存在的上述问题，学者提出了 Z源整流器的概念，通过弓I入一个z源网络将整流器主电路与电源耦合起来。与电压源和电流源整流器相比，z源整流器能够提供升降压变换的功能，但引入了额外的由电感，电容组成的无源元件，增加了系统的体积，重量和实现成本，同时控制复杂。国内外又在此基础上陆续提出了一些改型的z源变换电路，其本质都是通过引入无源元件来实现升压，都存在上述问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提供了单级双向升降压整流器。本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案。一种单级双向升降压整流器，其输入端与交流电源连接，输出端接直流负载；所述单级双向升降压整流器包括依次连接的开关单元、输入滤波单元、整流桥、输出滤波单元，其中
开关单元包括第一互补双向电力电子开关、第二互补双向电力电子开关，第一互补双向电力电子开关包括第一开关管、第二开关管，第二互补双向电力电子开关包括第三开关管、第四开关管；
输入滤波单元为滤波电感；
整流桥为单相整流桥；
输出滤波单元为直流滤波电容；
所述第四开关管阳极、第二开关管阳极为所述单级双向升降压整流器输入端端子；所述直流滤波电容两级为所述单级双向升降压整流器输出端端子；
所述第一开关管阴极与第二开关管阴极连接；所述第三开关管阴极与第四开关管阴极连接；所述第一开关管阳极、第三开关管阳极分别与滤波电感一端相连；所述滤波电感另一端接单相整流桥一个桥臂的中点，所述单相整流桥另一桥臂中点与所述第二开关管阳极连接；所述直流滤波电容与所述单相整流桥第二桥臂并联。所述一种单级双向升降压整流器中，开关管包括MOS管和功率二极管，MOS管的漏极与功率二极管的阴极连接，MOS管的源极与功率二极管的阳极连接。所述一种单级双向升降压整流器中，开关管包括IGBT管和功率二极管，IGBT管的集电极与功率二极管的阴极连接，IGBT管的发射极与功率二极管的阳极连接。一种单级双向升降压整流器，其输入端与交流电源连接，输出端接直流负载；所述单级双向升降压整流器包括依次连接的开关单元、输入滤波单元、整流桥、输出滤波单元，其中:
开关单元包括第一互补双向电力电子开关、第二互补双向电力电子开关，第一互补双向电力电子开关包括第一开关管、第二开关管、第三开关管，第二互补双向电力电子开关包括第四开关管、第五开关管、第六开关管；
输入滤波单元包括=A相滤波电感、B相滤波电感、C相滤波电感；
整流桥为二相整流桥；
输出滤波单元直流滤波电容；
所述第四开关管阳极、第五开关管阳极、第六开关管阳极为所述单级双向升降压整流器输入端端子；所述直流滤波电容两级为所述单级双向升降压整流器输出端端子；
所述第四开关管阴极、第一开关管阳极分别与A相滤波电感一端连接；所述A相滤波电感另一端与三相整流桥第一桥臂中点连接；所述第五开关管阴极、第二开关管阳极分别与B相滤波电感一端连接；所述B相滤波电感另一端与三相整流桥第二桥臂中点连接；所述第六开关管阴极、第三开关管阳极分别与C相滤波电感一端连接；所述C相滤波电感另一端与三相整流桥第三桥臂中点连接；所述直流滤波电容与所述三相整流桥第三桥臂并联；所述第一开关管阴极、第二开关管阴极、第三开关管阴极均接地。所述一种单级双向升降压整流器中，开关管包括MOS管和功率二极管，MOS管的漏极与功率二极管的阴极连接，MOS管的源极与功率二极管的阳极连接。所述一种单级双向升降压整流器中，开关管包括IGBT管和功率二极管，IGBT管的集电极与功率二极管的阴极连接，IGBT管的发射极与功率二极管的阳极连接。本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果:无需降压变换电路即可实现降压输出和升压输出，同时实现了双向传输能量，进而简化了整流器的结构。
图1为单级单相双向升降压整流器的框图。图2为具体实施例1的电路图。图3至图5为具体实施例1在输入电压Vi=90V，R=20Q时的实验波形图。图6至图8为具体实施例1在输入电压Vi=264V，R=20 Ω时的实验波形图。图9为具体实施例2的电路图。图10至图12为具体实施例2在输入电压Vi=90V，R=20 Ω时的实验波形图。图13至图15为具体实施例2在输入电压Vi=264V，R=20 Ω时的实验波形图。图中标号说明:E为交流电压源、Qf Q12为第一至第十二开关管，L为滤波电感、C为直流滤波电容，R为直流负载，La、Lb、Lc为A、B、C相滤波电感。
具体实施例方式下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明:
本发明所述的单级双向升降压整流器如图1所示，其输入端与交流电源E连接，输出端接直流负载R ;所述单级双向升降压整流器包括依次连接的开关单元、输入滤波单元、整流桥、输出滤波单元。具体实施例1:单级单相双向升降压整流器。如图2所示的单级单相双向升降压整流器，包括开关单元、滤波电感L、单相整流桥、直流滤波电容C。单相整流桥包括两个桥臂，第一桥臂包括第五、第六开关管Q5、Q6，第二桥臂包括第七、第八开关管Q7、Q8。第五开关管Q5的阴极与第六开关管Q6的阳极连接，第七开关管Q7的阴极与第八开关管Q8的阳极连接，第五开关管Q5阳极与第七开关管Q7阳极的连接点为单相整流桥的正端，第六开关管Q6阴极与第八开关管Q8阴极的连接点为单相整流桥的负端。第五、第六、第七、第八开关管Q5、Q6、Q7、Q8采用SPWM调制策略。开关单元包括第一互补双向电力电子开关、第二互补双向电力电子开关，第一互补双向电力电子开关包括第一开关管Q1、第二开关管Q2，第二互补双向电力电子开关包括第三开关管Q3、第四开关管Q4。第四开关管Q4阳极、第二开关管Q2阳极为所述单级双向升降压整流器输入端端子，直流滤波电容C两级为所述单级双向升降压整流器输出端端子。第一开关管Ql阴极与第二开关管Q2阴极连接；第三开关管Q3阴极与第四开关管Q4阴极连接；第一开关管Ql的阳极、第三开关管Q3的阳极分别与滤波电感L 一端相连；滤波电感L另一端接单相整流桥一个桥臂的中点，单相整流桥另一桥臂中点与第二开关管Q2阳极连接；直流滤波电容C与所述单相整流桥第二桥臂并联。两组互补双向电力电子开关采用恒定互补占空比控制策略。第一、二、三、四开关管Q1、Q2、Q3、Q4的具体开关方式为:当输入交流电压为正时,第二、第三开关管Q2、Q3常通，第一、第四开关管Q1、Q4带有死区时间互补开关；当交流电压为负时，第一、第四开关管Ql、Q4常通，第二、第三开关管Q2、Q3带有死区时间互补开关。通过上述开关方式，能实现而第一和第二互补单相双向电力电子开关的自然换流，实现开关的平滑切换。交流电压源E的正负极分别与第四开关管Q4的阳极、第二开关管Q2的阴极连接。直流滤波电容C的正负极分别与单相整流桥的正负端连接，直流负载R与直流滤波电容C并联。图3、图4、图5为输入交流电&Vi=90V，R=20Q时输入电压、滤波电感中流过的电流k以及直流滤波电容上电压Vc的波形。图中可以看到波电容上电压Vc为200V，相比于电流源整流器只能单向传输功率的缺点，单级单相双向升降压整流器不仅无需升压变换电路实现了升压输出同时可以双向传输能量。图6、图7、图8为输入电压Vi=264V，R=20 Ω时输入电压、滤波电感中流过的电流k以及直流滤波电容上电压V。的波形，此时图中直流滤波电容上电压V。为200V，整流器实现了降压功能，相比于电压源整流器，单级单相双向升降压整流器无需降压变换电路实现了降压功能。可见，单级单相双向升降压整流器结构简单地实现了整流器的升降压输出以及能量的双向传输。
具体实施例2，单级三相双向升降压逆变器:
如图9所示的单级三相双向升降压逆变器，包括开关单元、三相滤波电感La、Lb、Lc，三相整流桥，直流滤波电容C。三相整流桥包括三个桥臂，第一桥臂包括第七、第八开关管Q7、Q8，第二桥臂包括第九、第十开关管Q9、Q10，第三桥臂包括第十一、第十二开关管Qll、Q12。第七开关管Q7的阴极与第八开关管Q8的阳极连接，第九开关管Q9的阴极与第十开关管QlO的阳极连接，第H^一开关管Qll的阴极与第十二开关管Q12的阳极连接，第七开关管Q7阳极、第九开关管Q9阳极、第十一开关管Qll阳极的连接点为三相整流桥的正端，第八开关管Q8阴极、第十开关管QlO阴极、第十二开关管Q12阴极的连接点为三相整流桥的负端。第七至第十二开关管Q7、12采用SPWM调制策略。开关单元包括第一互补双向电力电子开关、第二互补双向电力电子开关，第一互补双向电力电子开关包括第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3，第二互补双向电力电子开关包括第四开关管Q4、第五开关管Q5、第六开关管Q6。第四开关管Q4阳极、第五开关管Q5阳极、第六开关管Q6阳极为单级双向升降压整流器输入端端子；直流滤波电容C两级为单级双向升降压整流器输出端端子。第四开关管Q4阴极、第一开关管Ql阳极分别与A相滤波电感La —端连接；A相滤波电感La另一端与三相整流器第一桥臂中点连接；第五开关管Q5阴极、第二开关管Q2阳极分别与B相滤波电感Lb —端连接；B相滤波电感Lb另一端与三相整流器第二桥臂中点连接；第六开关管Q6阴极、第三开关管Q3阳极分别与C相滤波电感Lc 一端连接；C相滤波电感Lc另一端与三相整流器第三桥臂中点连接；直流滤波电容C与三相整流器第三桥臂并联；第一开关管Ql阴极、第二开关管Q2阴极、第三开关管Q3阴极接地。两组互补双向电力电子开关采用恒定互补占空比控制策略。第一、第二、第三、第四、第五、第六开关管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6的具体开关方式为:检测输入的三相交流电压，当A相电压为三相电压中最小时，第一开关管Ql和第四开关管Q4常通，第二、第三开关管Q2、Q3和第五、第六开关管Q5、Q6互补导通，并带有一定的死区时间；当B相电压为三相电压中最小时，第二开关管Q2和第五开关管Q5常通，第一、第三开关管Q1、Q3和第四、第六开关管Q4、Q6互补导通，并带有一定的死区时间；当C相电压为三相电压中最小时，第三开关管Q3和第六开关管Q6常通，第一、第二开关管Ql、Q2和开关管第四、第五开关管Q4、Q5互补导通，并带有一定的死区时间，通过上述开关方式，能实现而第一和第二互补单相双向电力电子开关的自然换流，实现开关的平滑切换。交流电压源E的三个进线分别与第四开关管Q4的阳极、第五开关管Q5的阳极、第六开关管Q6的阳极连接，A相滤波电感La的两端分别与三相整流桥第一桥臂的中点、第四开关管Q4的阴极连接，B相滤波电感Lb的两端分别与三相整流桥第二桥臂的中点、第五开关管Q5的阴极连接，C相滤波电感Lc的两端分别与三相整流桥第三桥臂的中点、第六开关管Q6的阴极连接，直流滤波电容C的正负极分别与三相整流桥的正负端连接，直流负载R与直流滤波电容C并联。图10、图11、图12为输入交流电压Vi=90V，R=20Q时三相输入电压、A、B、C三相滤波电感中流过的电流iLb, L以及直流滤波电容上电压Vc的波形。图中可以看到直流滤波电容上电压\为300V， 相比于电流源整流器只能单向传输功率的缺点，单级三相双向升降压整流器不仅无需升压变换电路实现了升压输出同时可以双向传输能量。图13、图14、图15为输入电压Vi=264V，R=20 Ω时A、B、C三相输入电压Via、Vib、Vic，A、B、C三相滤波电感中流过的电流ka，iLb, iLc以及直流滤波电容上电压V。的波形，此时直流滤波电容上电压V。为300V，逆变器实现了降压功能，相比于电压源整流器，单级单相双向升降压整流器无需降压变换电路实现了降压功能。可见，单级三相双向升降压整流器结构简单地实现了整流器的升降压输出以及能量的双向传输。第一开关管至第十二开关管由MOS管和功率二极管组成或者由IGBT管和功率二极管组成。当功率开挂管由MOS管和功率二极管组成时，MOS管的漏极与功率二极管的阴极连接，MOS管的源极与功率二极管的阳极连接。当功率开关管由IGBT管和功率二极管组成时，IBGT管的集电极与功率二极管的阴极连接，IGBT管的发射极与功率二极管的阳极连接。综上所述，当输入电压较低时，此时需要实现升压整流，第一互补双向电力电子开关处于关断状态，第二互补双向电力电子开关处于开通状态，此时电路等效为传统电压源整流器，实现升压整流功能；当输入电压较高时，此时需要实现降压整流，第一互补双向电力电子开关与第二互补双向电力电子开关处于互补开关状态，通过调节第一互补双向电力电子开关工作占空比实现降压比的调节，从而实现降压整流功能。本发明所述的单级双向升降压整流器无需升压变换电路实现了整流器的升压输出；无需降压变换电路实现了降压输出的同时双向传输能量。
权利要求
1.一种单级双向升降压整流器，其输入端与交流电源连接，输出端接直流负载；其特征在于所述单级双向升降压整流器包括依次连接的开关单元、输入滤波单元、整流桥、输出滤波单元，其中: 开关单元包括第一互补双向电力电子开关、第二互补双向电力电子开关，第一互补双向电力电子开关包括第一开关管(Q1)、第二开关管(Q2)，第二互补双向电力电子开关包括第三开关管(Q3)、第四开关管(Q4)； 输入滤波单元为滤波电感(L)； 整流桥为单相整流桥； 输出滤波单元为直流滤波电容(C)； 所述第四开关管(Q4)阳极、第二开关管(Q2)阳极为所述单级双向升降压整流器输入端端子；所述直流滤波电容(C)两级为所述单级双向升降压整流器输出端端子； 所述第一开关管(Ql)阴极与第二开关管(Q2)阴极连接；所述第三开关管(Q3)阴极与第四开关管(Q4)阴极连接；所述第一开关管(Ql)阳极、第三开关管(Q3)阳极分别与滤波电感(L)一端相连；所述滤波电感(L)另一端接单相整流桥一个桥臂的中点，所述单相整流桥另一桥臂中点与所述第二开关管(Q2)阳极连接；所述直流滤波电容(C)与所述单相整流桥第二桥臂并联。
2.根据权利要求1所述的一种单级双向升降压整流器，其特征在于所述开关管包括MOS管和功率二极管，MOS管的漏极与功率二极管的阴极连接，MOS管的源极与功率二极管的阳极连接。
3.根据权利要求1所述的一种单级双向升降压整流器，其特征在于所述开关管包括IGBT管和功率二极管，IGBT管的集电极与功率二极管的阴极连接，IGBT管的发射极与功率二极管的阳极连接。
4.一种单级双向升降压整流器，其输入端与交流电源连接，输出端接直流负载；其特征在于所述单级双向升降压整流器包括依次连接的开关单元、输入滤波单元、整流桥、输出滤波单元，其中: 开关单元包括第一互补双向电力电子开关、第二互补双向电力电子开关，第一互补双向电力电子开关包括第一开关管(Q1)、第二开关管(Q2)、第三开关管(Q3)，第二互补双向电力电子开关包括第四开关管(Q4)、第五开关管(Q5)、第六开关管(Q6)； 输入滤波单元包括:A相滤波电感(La)、B相滤波电感(Lb)、C相滤波电感(Lc)； 整流桥为二相整流桥； 输出滤波单元直流滤波电容(C)； 所述第四开关管(Q4)阳极、第五开关管(Q5)阳极、第六开关管(Q6)阳极为所述单级双向升降压整流器输入端端子；所述直流滤波电容(C)两级为所述单级双向升降压整流器输出端端子； 所述第四开关管(Q4)阴极、第一开关管(Ql)阳极分别与A相滤波电感(La)—端连接；所述A相滤波电感(La)另一端与三相整流桥第一桥臂中点连接；所述第五开关管(Q5)阴极、第二开关管(Q2)阳极分别与B相滤波电感(Lb) —端连接；所述B相滤波电感(Lb)另一端与三相整流桥第二桥臂中点连接；所述第六开关管(Q6)阴极、第三开关管(Q3)阳极分别与C相滤波电感(Lc) 一端连接；所述C相滤波电感(Lc)另一端与三相整流桥第三桥臂中点连接；所述直流滤波电容(C)与所述三相整流桥第三桥臂并联；所述第一开关管(Ql)阴极、第二开关管(Q2)阴极、第三开关管(Q3)阴极均接地。
5.根据权利要求4所述的一种单级双向升降压整流器，其特征在于所述开关管包括MOS管和功率二极管，MOS管的漏极与功率二极管的阴极连接，MOS管的源极与功率二极管的阳极连接。
6.根据权利要求4所述的一种单级双向升降压整流器，其特征在于所述开关管包括IGBT管和功率二极管，IGBT管的集电极与功率二极管的阴极连接，IGBT管的发射极与功率二极管的阳极连接。`
全文摘要
本发明涉及单级双向升降压整流器，属于电力电子变换器的技术领域。所述单级双向升降压整流器包括依次连接的开关单元、输入滤波单元、整流桥、输出滤波单元；其输入端与交流电源连接，输出端接直流负载。开关单元包括第一互补双向电力电子开关、第二互补双向电力电子开关。升压模式时，第二互补双向电力电子开关常通，电路等效为传统升压整流器，实现升压输出；降压模式时，第一和第二互补双向电力电子开关互补导通，实现降压输出。本发明所述的单级双向升降压整流器无需降压变换电路实现了整流器的升降压输出，同时实现了双向传输能量。
文档编号H02M7/12GK103078527SQ20131002021
公开日2013年5月1日 申请日期2013年1月21日 优先权日2013年1月21日
发明者汤雨 申请人:南京航空航天大学