一种带Z型桥结构的单相三电平功率因数校正电路

本发明涉及功率因数校正整流器技术领域，具体涉及一种带z型桥结构的单相三电平功率因数校正电路。

背景技术：

随着电力电子设备在各个领域都得到了广泛的应用，电网污染的问题越发严重。传统的整流电路与一些非线性电力电子设备，由于其较强的非线性导致了网侧电流谐波含量的增加，从而造成电能的传输、转换及利用效率降低，严重时会导致设备发生故障甚至损坏。

对于两电平整流器，其在长时间工作下的高频电路，产生的高频电流会使电感发热，加大损耗，因此需要使用散热器等途径进行散热。与此同时，也带来了更多的如电磁干扰(emi)等的问题。而三电平整流器，由于抬高了其电平数，使其能在高频电路下工作；并且因其谐波含量低、开关损耗小、供电可靠性高等优势被广泛应用。

国内外研究学者采用较多的方式为有源功率因数校正(pfc)，即通过控制可控的有源器件，如开关管等，让输入电流波形跟随输入电压波形以此达到输入电流、电压同相位的目的。随着当今常用设备的功率等级提高，对功率变换器的研究朝着高频化，高密度发展；为了提高系统的抗干扰能力、供电可靠性及工作效率，功率因数校正整流器成为了当前研究的热点问题。

技术实现要素：

为克服两电平整流技术中存在的谐波含量高、抗干扰能力差以及工作可靠性不高等问题。本发明提出了一种带z型桥结构的单相三电平功率因数校正电路，使工作效率进一步提高。该校正电路由于应用了功率因数校正技术，将畸变电流校正为与电压同相位的正弦电流，使功率因数接近于1，从而降低电路的谐波含量。该校正电路适用于中小功率等级下要求开关应力小、且谐波含量低的整流电路中。

本发明采取的技术方案为：

一种带z型桥结构的单相三电平功率因数校正电路，包括：

开关管s1～s3，二极管d1～d8，电容c1、c2；

交流电源us一端分别连接二极管d4阴极、二极管d6阴极、二极管d3阳极、二极管d5阳极，其连接点构成端点b；

交流电源us另一端电感l一端，电感l另一端分别连接二极管d2阴极、二极管d1阳极、开关管s1的漏极，其连接点构成端点a；

开关管s1的源极连接开关管s2的漏极；

开关管s3的漏极分别连接二极管d5阴极、二极管d7阴极，其连接点构成端点f；

开关管s3的源极分别连接二极管d6阳极、二极管d8阳极，其连接点构成端点i；

二极管d7阳极分别连接二极管d8阴极、电容c1另一端、电容c2一端，其连接点构成端点o；

二极管d1阴极分别连接二极管d3阴极、电容c1一端，其连接点构成端点c；

二极管d2阳极分别连接二极管d4阳极、电容c2另一端，其连接点构成端点d；

负载r两端分别连接电容c1一端、电容c2另一端。

所述二极管d2、d4、开关管s1、s2构成z型桥结构；交流电源us与电感l串联再与z型桥结构连接构成了整流单元。

所述端点c与端点b构成端口一，端点b与端点d构成端口二，电容c1、c2串联构成端口三，形成三端口结构。

所述端点b与端点o中插入的是由一个开关管s3、四个二极管d5～d8组成的双向管单元，构成了基于双向管插入式与电容串联的双向三电平三端口单元。

所述电容c1、电容c2均为等值电解电容，用于平衡直流侧中点电位。

所述开关管s1～s3为绝缘栅型双极晶体管igbt、集成门极换流晶闸管igct、或者电力场效应晶体管mosfet。

电路结构中所采用的二极管均为当前市面所存在的产品；其中由二极管d1～d4组成的二极管桥为整流桥。

本发明一种带z型桥结构的单相三电平功率因数校正电路，技术效果如下：

1)本发明提出了一种带z型桥结构与三端口结构结合的拓扑，使所提出的电路更具有模块化，更易分析和推导。

2)本发明的三端口结构是基于插入式双向管与串联电容所形成的三电平电路结构，使得电流流通路径可多样化，具有成本低、损耗小的优点。其中由端点b和结点o构成的双向管插入式结构，既可实现电压钳位，也可做到功率的双向流动；该结构有较高的可靠性。3)相比于两电平整流电路，本发明电路拓扑结构，仅使用三个电力场效应晶体管mosfet，使原本的电平抬高到三电平，具有谐波含量低、开关管电压应力小、开关损耗低等特点。本发明适用于中小功率等级下高效、高可靠性的整流电路中。

4)本发明电路相比于两电平整流器有着谐波含量低，开关管电压应力小、能有效减少开关损耗、有较好的电磁干扰性等优势，相较于传统三电平电路也有应用成本较低、更易控制的优点。

附图说明

图1为本发明电路主拓扑结构图。

图2为本发明电路模块结构图。

图3为本发明电路工作模态一图；

图4为本发明电路工作模态二图；

图5为本发明电路工作模态三图；

图6为本发明电路工作模态四图；

图7为本发明电路工作模态五图；

图8为本发明电路工作模态六图。

图9为本发明电路开关管s1～s3六种工作模态图。

图10为本发明电路电压uab波形图。

图11为本发明电路交流侧输入电压us和电流il波形图。

图12为本发明电路直流输出电压udc波形图。

图13-1为本发明电路的开关管脉冲电压us1的波形图；

图13-2为本发明电路的开关管脉冲电压us2的波形图；

图13-3为本发明电路的开关管脉冲电压us3的波形图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明电路做具体说明：

本发明电路详细实验参数如下：交流电源us输入电压为220v，电源频率50hz，电感值5mh，电容值均为4700μf，负载阻值80ω，直流侧输出电压400v，其中开关频率5khz。

图1是本发明一种带z型桥的单相三电平功率因数校正电路拓扑结构图：包括交流电源us、电感l、电容c1与c2、开关管s1～s3、二极管d1～d8、负载r。

图1一种带z型桥的单相三电平功率因数校正电路中：

与交流电源us连接的电感l的一端、二极管d1的阳极、开关管s1的漏极共同构成端点a。

交流电源us的另一端、二极管d4的阴极、开关管s2的漏极共同组成端点b。

二极管d1、d3的阴极、电容c1、负载r连接，构成端点c。

二极管d2、d4的阳极、电容c2、负载r连接，构成端点d。

二极管d7的阳极、二极管d8的阴极、电容c1、c2连接，构成端点o。

电路中开关管s1、s2、s3均为电力场效应晶体管mosfet，通过控制其开关状态具有以下六种工作模态：

图2为z型桥的单相三电平功率因数校正电路的模块结构图：包括模块一：z型桥整流单元、模块二：基于双向管插入式与电容串联的双向三电平三端口单元。

其中，模块一中的二极管d2、d4与开关管s1、s2构成z型桥结构。

模块一中端点c与端点b构成端口一，端点b与端点d构成端口二，电容c1、c2串联构成端口三，构成三端口结构；端点b与端点o中插入的是由一个开关管s3、四个二极管d5～d8组成的双向管单元，以此形成了基于双向管插入式与电容串联的双向三电平三端口单元；

图3为工作模态一：交流电源us工作于正半周期，开关管s1、s2、s3全部关断，电流依次通过电感l、二极管d1、电容c1、电容c2、二极管d4返回电源；此时电容c1、c2同时充电，其中充电电流为il-idc，此时电压uab＝+udc；

图4为工作模态二：交流电源us工作于正半周期，仅有开关管s3导通，电流依次通过电感l、二极管d1、电容c1、二极管d7、开关管s3、二极管d6返回电源；此时电容c1充电，充电电流为il-idc，此时电压uab＝+udc/2；

图5为工作模态三：交流电源us工作于正半周期，开关管s1、s2导通，其中电源电流也可通过开关管s2的体二极管再返回电源，实现电感l的储能；电容c1、c2同时向负载r放电，放电电流为idc，此时电压uab＝0；

图6为工作模态四：交流电源us工作于负半周期，开关管s1、s2导通，其中电源电流也可通过开关管s1的体二极管再返回电源，实现电感l的储能；此时电压uab＝0；

图7为工作模态五：交流电源us工作于负半周期，仅有开关管s3导通，电流一次通过二极管d5、开关管s3、二极管d8、电容c2、二极管d2、电感l再返回电源；此时电压uab＝-udc/2；

图8为工作模态六：交流电源us工作于负半周期，开关管s1、s2、s3全部关断，电流依次通过二极管d3、电容c1、电容c2、二极管d2、电感l再返回电源；此时电容c1、c2同时充电，其中充电电流为il+idc；此时电压uab＝-udc。

图9为本发明电路开关管s1～s3六种工作模态图；如图8所示，在一个周期内电路共有六种模式，当il>0时，有+udc、+udc/2、0三种状态；当il<0时，也有对应的0、-udc/2、-udc三种状态，在各个工作模式下，开关管s1～s3相互配合工作二实现三电平，在不同工作模式下，系统各参数也随之变化，其中0与1表示开关管的通断状态。

图10为本发明桥臂电压uab波形图；在正常工作时，电压uab有五个电平状态(0、±udc/2、±udc)，也因其电平的正负状态相对应，故常称为三电平。

图11为本发明电路交流侧输入电压us和电流il波形图；其输入电流与输入电压保持同相位，电路实现了功率因数校正目的；其中输入电压us通过0.1倍增益，使得输入电压us与电流il的同相位更易辨别。

图12为本发明电路直流输出电压udc波形图；本发明属于交直流变换，最终的目的是获取稳定的直流输出电压给负载供电，经过boost电路升压，使得直流侧输出电压大致稳定在400v，从其波形可看出直流输出电压较为稳定。

图13-1为本发明电路中的开关管脉冲电压us1的波形图；纵轴为单位标幺化量，单位为1；表示出开关管s1对应的开关脉冲分配信号。

图13-2为本发明电路中的开关管脉冲电压us2的波形图；纵轴为单位标幺化量，单位为1；表示出开关管s2对应的开关脉冲分配信号。

图13-3为本发明电路中的开关管脉冲电压us3的波形图；纵轴为单位标幺化量，单位为1；表示出开关管s3对应的开关脉冲分配信号，其中因为开关管工作频率为高频，开断速度很快，故在以秒计的图中只能看见持续的导通状态。