基于软开关技术的新型单向三相三电平整流器制造技术

基于软开关技术的新型单向三相三电平整流器，包括单向三电平整流回路、谐振电路、缓冲回路、电压采样电路、电流采样电路、过零比较电路、DSP控制模块、PWM驱动电路。其中单向三相三电平整流回路由6个功率开关管组成三个整流桥臂，有效减少了元件数量,简化了结构，降低了成本。谐振回路由谐振电感、钳位电容、辅助开关等组成，能够使主开关实现零电压开通，有效减少了开关损耗和开关噪声。缓冲回路由与主开关并联的6个电容组成，能够使主开关的关断过程更加柔和。采用上述结构，利用双闭环控制方式，电流内环和电压外环均采用PI控制与SVPWM相结合的控制方法，从而有效地抑制谐波，实现交流侧电流正弦化、电压的稳定输出及网侧单位功率因数控制。

【技术实现步骤摘要】
基于软开关技术的新型单向三相三电平整流器
本专利技术涉及三相整流器
，具体是一种基于软开关技术的新型单向三相三电平整流器。
技术介绍
随着电力电子技术的迅速发展，电力电子设备在日常生活和工作生产中日益增多，诸如各种高品质应用型电源、电力牵引机车等电气化铁路设备、变频调速系统、各类新能源发电等。多电平变换技术作为改善系统性能和提高系统工作效率的重要技术，在新能源逆变器并网、分布式直流发电、传动系统等大功率领域得到越来越多来自学术界和工业界的青睐。由于电力电子装置的耐高压、高频化、高电压、大容量等特性的需求日益强烈，传统两电平变换器在大功率场合运用中存在着诸多难以突破的瓶颈。与常规的两电平整流器相比，三电平整流器的主电路结构虽然比较复杂，但是因其在抑制谐波、提高功率因数、减小电压应力等方面的优点，正越来越多地受到人们的关注。此外随着电力电子技术的快速发展，开关电源技术得到不断地进步与创新，然而随着开关电源轻量化、高频化、高压功率化的发展趋势，其开关频率的提高所带来的开通关断损耗及开关噪声等一系列问题不容忽视。针对这些问题，软开关技术便被提出，即在开关过程前后引入谐振环节，使得开关管在开通前电压先降至零，在关断前电流值先降至零。这样在器件的开通和关断过程中，电压和电流的交叠被消除，大大减小了开关损耗。同时，引入的谐振环节限制了开关过程中电压和电流的变化率，使得开关噪声也得到了明显减小，软开关技术保证了工作频率的进一步提高。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种基于软开关技术的新型单向三相三电平整流器，有效解决传统硬开关造成的开关损耗和开关噪声，减少元件数量，减小简化结构，降低成本。本专利技术采取的技术方案为：基于软开关技术的新型单向三相三电平整流器，包括整流回路、谐振电路、缓冲回路、采样电路、过零检测电路、DSP控制模块、PWM驱动电路；所述整流回路由3个整流桥臂组成，每个整流桥臂由2个功率开关管Sx1、Sx2、2个分别与功率开关管相并联的箝位二极管、以及2个快速恢复二极管Dx1、Dx2组成；整流桥臂1:Sa1集电极与其反并联二极管阴极、快速恢复二极管Da1阳极及缓冲电容一端相连；Sa2集电极与其反并联二极管阴极、快速恢复二极管Da1阳极及缓冲电容一端相连；Sa1发射极与其反并联二极管阳极、快速恢复二极管Da2阴极及缓冲电容一端相连；Sa2发射极与其反并联二极管阳极、缓冲电容一端及谐振电感Lr一端相连。整流桥臂2:Sb1集电极与其反并联二极管阴极、快速恢复二极管Db1阳极及缓冲电容一端相连；Sb2集电极与其反并联二极管阴极、快速恢复二极管Db1阳极及缓冲电容一端相连；Sb1发射极与其反并联二极管阳极、快速恢复二极管Db2阴极及缓冲电容一端相连；Sb2发射极与其反并联二极管阳极、缓冲电容一端及谐振电感Lr一端相连。整流桥臂3:Sc1集电极与其反并联二极管阴极、快速恢复二极管Dc1阳极及缓冲电容一端相连；Sc2集电极与其反并联二极管阴极、快速恢复二极管Db1阳极及缓冲电容一端相连；Sc1发射极与其反并联二极管阳极、快速恢复二极管Db2阴极及缓冲电容一端相连；Sc2发射极与其反并联二极管阳极、缓冲电容一端及谐振电感Lr一端相连。所述谐振电路由谐振电感Lr、辅助开关S3、并联电容C3及钳位电容Cc组成。S3集电极与谐振电感Lr一端、反向并联二极管阳极及并联电容C3一端相连；S3发射极与反向并联二极管阴极、并联电容C3另一端及钳位电容Cc一端相连。电容Cc另一端与谐振电感Lr另一端及中位点n相连。采用上述结构，通过引入辅助开关来控制电路谐振的开始时刻，使谐振电感和谐振电容只在主开关开通前发生谐振，从而产生谐振电流为并联电容进行充放电，为主开关创造零电压开通的条件。所述缓冲回路由6个功率器件及与之并联的电容组成。使得开关关断后其两端的电压不能突变，关断过程更加柔和，减小开关损耗。所述采样电路包括霍尔电压电流传感器构成，用于实现直流侧和交流侧电压、电流的检测采样。采样电路采用高精度的专用采样芯片AD7606，其片内自带滤波功能。此外采用LEM公司的LA58-P霍尔传感器将电网电流或直流侧电流变成小电流。电网电压采样电路采用耀华德昌公司的TV16E电压互感器，额定输入电流为2.5mA。直流侧电压采样电路采用LEM公司LV28型电压霍尔传感器测量直流电压，原副边变比参数为2500:1000，额定输入电流为10mA，额定电压量程最高为500V，最低为10V。所述过零检测电路，用于检测电网电压过零点时刻，利用DSP控制模块对电网电压的过零点进行捕获，实现电网频率的锁相。所述DSP控制模块，用于采集数据、实现控制策略、对主电路开关器件进行控制。DSP控制模块可选择TI公司C2000系列的DSP，C2000系列DSP是TI公司专为实时控制应用而设计的。考虑到PWM整流器的开关频率、程序对内存的要求、运算速度以及软开关PWM整流器比普通PWM整流器多一个直流谐振回路，多一个辅助开关管，最终选择C2000系列的F28335作为控制芯片。所述PWM驱动电路，用于驱动该单向三相三电平整流器开关管。PWM驱动电路采用F28335的ePWM模块，考虑到本专利技术一共需要7路PWM波而一个ePWM子模块可以发出两路PWM波，因此一共需要配置4个ePWM子模块。本专利技术一种基于软开关技术的新型单向三相三电平整流器，具有如下有益效果：1、该整流器仅需6个主开关管，有效减少元件数量，因此产生的损失较小，简化了结构，降低了成本，可以有效地抑制谐波，实现网侧单位功率因数控制。2、本专利技术采用软开关技术，在原整流器基础上增加了谐振回路，在开关导通前引入谐振环节，使得开关管在开通前电压先降至零，在器件的开通和关断过程中，电压和电流的交叠被消除。在使开关损耗减小到接近于零的同时也减小了开关过程中产生的噪声提高了开关器件的可靠性。3、本专利技术采用双闭环控制方式，电流内环与电压外环均采用PI控制，具有抑制注入电网的谐波、实现交流侧电流正弦化及单位功率因数、提高电流跟踪能力、系统控制稳定等优点。附图说明下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明：图1为本专利技术一种基于软开关技术的新型单向三相三电平整流器主拓扑结构图；图2为本专利技术一种基于软开关技术的新型单向三相三电平整流器开关时序图；图3为本专利技术一种基于软开关技术的新型单向三相三电平整流器工作状态一；图4为本专利技术一种基于软开关技术的新型单向三相三电平整流器工作状态二；图5为本专利技术一种基于软开关技术的新型单向三相三电平整流器工作状态三；图6为本专利技术一种基于软开关技术的新型单向三相三电平整流器工作状态四图7为本专利技术一种基于软开关技术的新型单向三相三电平整流器工作状态五；图8为本专利技术一种基于软开关技术的新型单向三相三电平整流器控制框图；图9为本专利技术一种基于软开关技术的新型单向三相三电平整流器输入侧电流电压波形图；图10为本专利技术一种基于软开关技术的新型单向三相三电平整流器主开关Sc2换流过程中UCE和UGE波形图；图11为本专利技术一种基于软开关技术的新型单向三相三电平整流器主开关Sc2换流过程中UCE和UGE放大后波形图。具体实施方式图1所示为本专利技术一种基于软开关技术的新型单向三相三电平整流器主拓扑，Va(t)、Vb(t)、Vc(t本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于软开关技术的新型单向三相三电平整流器，包括整流回路、谐振电路、缓冲回路、采样电路、过零检测电路、DSP控制模块、PWM驱动电路；其特征在于：所述整流回路由3个整流桥臂组成，每个整流桥臂由2个功率开关管、2个分别与功率开关管相并联的箝位二极管、以及2个快速恢复二极管组成；整流桥臂1:Sa1集电极与其反并联二极管阴极、快速恢复二极管Da1阳极及缓冲电容一端相连；Sa2集电极与其反并联二极管阴极、快速恢复二极管Da1阳极及缓冲电容一端相连；Sa1发射极与其反并联二极管阳极、快速恢复二极管Da2阴极及缓冲电容一端相连；Sa2发射极与其反并联二极管阳极、缓冲电容一端及谐振电感Lr一端相连；整流桥臂2:Sb1集电极与其反并联二极管阴极、快速恢复二极管Db1阳极及缓冲电容一端相连；Sb2集电极与其反并联二极管阴极、快速恢复二极管Db1阳极及缓冲电容一端相连；Sb1发射极与其反并联二极管阳极、快速恢复二极管Db2阴极及缓冲电容一端相连；Sb2发射极与其反并联二极管阳极、缓冲电容一端及谐振电感Lr一端相连；整流桥臂3:Sc1集电极与其反并联二极管阴极、快速恢复二极管Dc1阳极及缓冲电容一端相连；Sc2集电极与其反并联二极管阴极、快速恢复二极管Db1阳极及缓冲电容一端相连；Sc1发射极与其反并联二极管阳极、快速恢复二极管Db2阴极及缓冲电容一端相连；Sc2发射极与其反并联二极管阳极、缓冲电容一端及谐振电感Lr一端相连；所述谐振电路由谐振电感Lr、辅助开关S3、并联电容C3及钳位电容Cc组成；S3集电极与谐振电感Lr一端、反向并联二极管阳极及并联电容C3一端相连；S3发射极与反向并联二极管阴极、并联电容C3另一端及钳位电容Cc一端相连；电容Cc另一端与谐振电感Lr另一端及中位点n相连；所述缓冲回路由6个功率器件及与之并联的电容组成；所述采样电路包括霍尔电压电流传感器，用于实现直流侧和交流侧电压、电流的检测采样；所述过零检测电路，用于检测电网电压过零点时刻，利用DSP控制模块对电网电压的过零点进行捕获，实现电网频率的锁相；所述DSP控制模块，用于采集数据、实现控制策略、对主电路开关器件进行控制；所述PWM驱动电路，用于驱动该单向三相三电平整流器开关管。...

【技术特征摘要】
1.基于软开关技术的新型单向三相三电平整流器，包括整流回路、谐振电路、缓冲回路、采样电路、过零检测电路、DSP控制模块、PWM驱动电路；其特征在于：所述整流回路由3个整流桥臂组成，每个整流桥臂由2个功率开关管、2个分别与功率开关管相并联的箝位二极管、以及2个快速恢复二极管组成；整流桥臂1:Sa1集电极与其反并联二极管阴极、快速恢复二极管Da1阳极及缓冲电容一端相连；Sa2集电极与其反并联二极管阴极、快速恢复二极管Da1阳极及缓冲电容一端相连；Sa1发射极与其反并联二极管阳极、快速恢复二极管Da2阴极及缓冲电容一端相连；Sa2发射极与其反并联二极管阳极、缓冲电容一端及谐振电感Lr一端相连；整流桥臂2:Sb1集电极与其反并联二极管阴极、快速恢复二极管Db1阳极及缓冲电容一端相连；Sb2集电极与其反并联二极管阴极、快速恢复二极管Db1阳极及缓冲电容一端相连；Sb1发射极与其反并联二极管阳极、快速恢复二极管Db2阴极及缓冲电容一端相连；Sb2发射极与其反并联二极管阳极、缓冲电容一端及谐振电感Lr一端相连；整流桥臂3:Sc1集电极与其反并联二极管阴极、快速恢复二极管Dc1阳极及缓冲电容一端相连；Sc2集电极与其反并联二极管阴极、快速恢复二极管Db1阳极及缓冲电容一端相连；Sc1发射极与其反并联二极管阳极、快速恢复二极管Db2阴极及缓冲电容一端相连；Sc2发射极与其反并联二极管阳极、缓冲电容一端及谐振电感Lr一端相连；所述谐振电路由谐振电感Lr、辅助开关S3、并联电容C3及钳位电容Cc组成；S3集电极与谐振电感Lr一端、反向并联二极管阳极及并联电容C3一端相连；S3发射极与反向并联二极管阴极、并联电容C3另一端及钳位电容Cc一端相连；电容Cc另一端与谐振电感Lr另一端及中位点n相连；所述缓冲回路由6个功率器件及与之并联的电容组成；所述采样电路包括霍尔电压电流传感器，用于实现直流侧和交流侧电压、电流的检测采样；所述过零检测电路，用于检测电网电压过零点时刻，利用DSP控制模块对电网电压的过零点进行捕获，实现电网频率的锁相；所述DSP控制模块，用于采集数据、实现控制策略、对主电路开关器件进行控制；所述PWM驱动电路，用于驱动该单向三相三电平整流器开关管。2.根据权利要求1所述基于软开关技术的新型单向三相三电平整流器，其特征在于：该新型单向三相三电平整流器有三种整流状态：状态1是通过开关SX1和二极管DX1的传导获得；状态2是当开关SX1和SX2同时导通时获得；状态3是由开关SX2和二极管DX2的传导获得；根据在电路中的位置，可将电路中的6个主开关管分为3对：Sa、Sb、Sc；每个桥臂均有3个有效的开关状态(1，0，-1)，且满足：令中性点n保持动态电压平衡，且Uan分别有3种电平Uab有五种电平由式(1-1)可知该整流器共有27种工作状态，以(011)、(010)、(110)三种工作模式为例对软开关的实现加以说明阶段一(t0-t1)：该阶段整流器对应的工作矢量为(011)，主开关Sa1、Sa2、Sb1、Sc1及辅助开关S3导通，...

【专利技术属性】
技术研发人员：马辉，韩笑，田鹏辉，田宇，
申请(专利权)人：三峡大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42