基于对称四端口的单相三电平功率因数校正整流器制造技术

基于非对称四端口的单相三电平功率因数校正整流器，包括交流电源AC，电感L，开关管Q

Single phase three level PFC rectifier based on symmetrical four port

【技术实现步骤摘要】
基于对称四端口的单相三电平功率因数校正整流器
本专利技术涉及单相电能变换
，具体是一种基于对称四端口的单相三电平功率因数校正整流器。
技术介绍
如今的工业应用中对直流的电的需求量较大，在电能的变换上通常采用的是将交流电压变换造成为直流电进行直流-直流变换，在整流的过程中，通常由于电流的波形不能够完全的更随电压的波形而导致整流过程中的功率因数较低，功率因数整流器被提出多年时间，目的在于克服交流侧的电压电流功率因数问题。在工业应用中整流无处不在，在不同的电压等级之下都会应用到整流过程，大到目前发展的高压直流输电过程中，这需要将交流电整流后进行直流传输，整流过程中就需要应用到功率因数校正以尽可能多的输送有功功率，减小电网中无功功率占用输送容量，小到在工业控制回路中，所采用的供电电路中也应用到功率因数校正过程，为了满足不同的应用场合下的电压等级，这就需要有足够多的拓扑结构供工程师参考和应用，以降低成本。
技术实现思路
本专利技术旨在提供一种基于对称四端口的单相三电平功率因数校正整流器，同时具备Boost升压、整流、三电平功率因数矫正及对称四端口网络结构特点，同时，该整流器拓扑结构能够采用多载波调制方式，控制不同电路模态。本专利技术采取的技术方案为：基于非对称四端口的单相三电平功率因数校正整流器，包括：包括交流电源AC，电感L，开关管Q1、Q2、Q3、Q4，二极管D1、D2、D7、D8、D9、D10，电容Cdc1、Cdc2；交流电源AC一侧分别连接二极管D1阳极、二极管D2阴极，其连接节点构成端点b；交流电源AC另一侧连接电感L一端，电感L另一端分别连接开关管Q3源极、开关管Q4漏极，其连接节点构成端点a；开关管Q3漏极分别连接二极管D1阴极、二极管D8阳极，其连接节点构成端点c；开关管Q4源极分别连接二极管D2阳极、二极管D7阴极，其连接节点构成端点d；二极管D8阴极连接电容Cdc1一端，其连接节点构成端点p；电容Cdc1另一端连接电容Cdc2一端，其连接节点构成端点n；电容Cdc2另一端连接二极管D7阳极，其连接节点构成端点m；开关管Q1的源极连接二极管D10阳极，开关管Q1的漏极连接端点c；开关管Q2的漏极连接二极管D9阴极，开关管Q2的源极连接端点d；二极管D10阴极连接二极管D9阳极，其连接节点连接端点n；开关管Q1、Q2、Q3、Q4分别反并联二极管D5、D6、D3、D4。所述端点a、端点c、端点d、端点n构成对称四端口。所述开关管Q1、Q2、Q3、Q4为IGBT或者功率MOSFET。所述电容Cdc1、Cdc2为分裂电容。基于非对称四端口的单相三电平功率因数校正整流器，包括以下开关模式：开关模式一，此时为交流电源AC的正半周，开关管Q4导通，电流经过电感L，开关管Q4，最后经过二极管D2流回，此过程中，电感L储能，负载RL由电容Cdc1、Cdc2供电；开关模式二，此时为交流电源AC的正半周，开关管Q1导通，电流经过电感L，二极管D3、D7、D10以及电容Cdc2，此过程中，交流电源AC和电感L同时给电容Cdc2充电，负载RL供电由电容Cdc1提供，开关模式一到开关模式二的转换过程是一个Boost升压过程；开关模式三，此时为交流电源AC的正半周，电流经过电感L，二极管D2、D3、D7、D8,以及电容Cdc1、Cdc2，此过程中，交流电源AC和电感L同时给负载RL和电容Cdc1、Cdc2供电，电容Cdc1、Cdc2充电；开关模式四，此时为交流电源AC的负半周，开关管Q3导通，电流经过D1，开关管Q3，最后经过电感L流回交流电源AC，此过程中，电感L储能，负载RL由电容Cdc1、Cdc2供电；开关模式五，此时为交流电源AC的负半周，开关管Q2导通，电流经过二极管D1、D4、D8、D9，及电容Cdc1，最后流过电感L回到交流电源AC，此过程中，交流电源AC和电感L同时给电容Cdc1充电，负载RL供电由交流电源AC提供，开关模式四到开关模式五的转换过程是一个Boost升压过程；开关模式六，此时为交流电源AC的负半周，电流经过二极管D1、D4、D7、D8，以及电容Cdc1、Cdc2，经过电感L回到交流电源AC，此过程中，交流电源AC和电感L同时给负载RL和电容Cdc1、Cdc2供电，电容Cdc1、Cdc2充电。基于对称四端口的单相三电平功率因数校正整流器，该整流器的本质安全型在于，使用二极管D7、D8进行如下电路保护：其一，体现在电路拓扑中二极管D7和二极管D8两个二极管保证功率的单向流通，保证电容Cdc1、Cdc2的电流只会向负载流动，而不会使其倒灌回流；其二，在主控开关管短路或断开时，它可以很好地起到保护；其三，模态切换过程中作为Boost电压钳位二极管；其四，在开关模式一、开关模式四时，电感L储能过程中，电压低于电容Cdc1、Cdc2电压时起到电压钳位作用。基于对称四端开关网络的本质安全型单相三电平功率因数校正电路控制系统，包括锁相环单元，三角波脉冲发生单元，比较单元，模态选择单元；所述锁相环单元，用于测量输入侧两端的电压相位信息，作为模态切换依据，另一方面作为正弦调制波；所述三角波脉冲发生单元，用于产生相应的四路载波信号；所述比较单元，用于产生三种电平，为后级的控制中开关模式选择提供依据；所述模态选择单元，通过比较单元产生的不同电平信号对应不同开关模态，每种开关模态对应一组四开关的0/1开关量，在每组开关模态切换过程中完成状态变换，以使其完成三电平功率因数矫正。本专利技术一种基于对称四端口的单相三电平功率因数校正整流器，技术效果如下：1：所提出的拓扑结构创新点：在无桥整流器的基础上采用四端口网络结构来完成三电平功率因数矫正，利用开关管与二极管串联的方式做到功率单相流通及功率路径的选择，其对称的功率路径分别用于正负半个周期内的引入，且其串联结构中分别连接于直流母线正负输出端，利用二极管D7和二极管D8实现直流母线功率单方向流通，另外所有在主控开关管断开和短路情况下，该专利技术电路依旧可以实现整流功能，为直流负载提高短时间供电需求，从而实现本质安全性的要求。2：此专利技术拓扑同时具备升压功能、整流、三电平功率因数矫正及对称四端口网络结构的特点，同时该拓扑结构采用多载波调制方式控制不同电路模态。该专利技术拓扑四端口主要由a、c、d、n四个端点构成对称四端口网络结构。3：a、电路的工作过程中，在交流电的正负半个周期内电路工作完全对称，四个开关管在六种工作模态中只出现在四种模态里，且每种模态中的开关管都仅有一个在工作，每个交流周期内的四个开关管都只存在一个模态工作；b、将实现三电平的回路直接接入直流母线的正负两端而实现三电平，与其他拓扑相比较，这样的方式可以使分裂电容充电速度更快电压更稳；c、拓扑结构上下对称分布，存在有四端口结构在内，拓扑结构可以向模块化多本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于非对称四端口的单相三电平功率因数校正整流器，其特征在于包括：/n包括交流电源AC，电感L，开关管Q

【技术特征摘要】
1.基于非对称四端口的单相三电平功率因数校正整流器，其特征在于包括：
包括交流电源AC，电感L，开关管Q1、Q2、Q3、Q4，二极管D1、D2、D7、D8、D9、D10，电容Cdc1、Cdc2；
交流电源AC一侧分别连接二极管D1阳极、二极管D2阴极，其连接节点构成端点b；
交流电源AC另一侧连接电感L一端，电感L另一端分别连接开关管Q3源极、开关管Q4漏极，其连接节点构成端点a；
开关管Q3漏极分别连接二极管D1阴极、二极管D8阳极，其连接节点构成端点c；
开关管Q4源极分别连接二极管D2阳极、二极管D7阴极，其连接节点构成端点d；
二极管D8阴极连接电容Cdc1一端，其连接节点构成端点p；
电容Cdc1另一端连接电容Cdc2一端，其连接节点构成端点n；
电容Cdc2另一端连接二极管D7阳极，其连接节点构成端点m；
开关管Q1的源极连接二极管D10阳极，开关管Q1的漏极连接端点c；
开关管Q2的漏极连接二极管D9阴极，开关管Q2的源极连接端点d；
二极管D10阴极连接二极管D9阳极，其连接节点连接端点n；
开关管Q1、Q2、Q3、Q4分别反并联二极管D5、D6、D3、D4。


2.根据权利要求1所述基于非对称四端口的单相三电平功率因数校正整流器，其特征在于：所述端点a、端点c、端点d、端点n构成对称四端口。


3.根据权利要求1所述基于非对称四端口的单相三电平功率因数校正整流器，其特征在于：所述开关管Q1、Q2、Q3、Q4为IGBT或者功率MOSFET。


4.根据权利要求1所述基于非对称四端口的单相三电平功率因数校正整流器，其特征在于：所述电容Cdc1、Cdc2为分裂电容。


5.根据权利要求1所述基于非对称四端口的单相三电平功率因数校正整流器，其特征在于：包括以下开关模式：
开关模式一，此时为交流电源AC的正半周，开关管Q4导通，电流经过电感L，开关管Q4，最后经过二极管D2流回，此过程中，电感L储能，负载RL由电容Cdc1、Cdc2供电；
开关模式二，此时为交流电源AC的正半周，开关管Q1导通，电流经过电感L，二极管D3、D7、D10以及电容Cdc2，此过程中，交流电源AC和电感L同时给电容Cdc2充电，负载RL供电由电容Cdc1提供，开关模式一到开关模式二的转换过程是一个B...

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