一种单级式隔离型三相整流器及其控制方法技术

本发明专利技术公开了一种单级式隔离型三相整流器及其控制方法，包括第一～第三交流侧电感、第一～第三交流侧电容、三相不控整流全桥电路、第一～第三双向开关、第一～第二变压器端电位单向箝位开关、双管正激电路；将三相交流电的相位角平均分为六个扇区，在每个扇区生成控制第一～第三双向开关的驱动信号；采样直流侧的电压与电流信号，通过直流侧电压外环与直流侧电流内环产生调制比，根据实时的相位角信息和调制比产生控制第一～第二变压器端电位单向箝位开关和双管正激电路中开关管的驱动信号；本发明专利技术实现了输入与输出之间高频电气隔离、具有损耗低、功率密度高、网侧电流正弦度高、网侧功率因数高、效率高等优点。

A single-stage isolated three-phase rectifier and its control method

【技术实现步骤摘要】
一种单级式隔离型三相整流器及其控制方法
本专利技术属于直流供电领域，尤其涉及一种单级式隔离型三相整流器及其控制方法。
技术介绍
在电动汽车(EV)电池充电、数据中心直流供电系统等应用领域中需要将电能从交流电转换为直流电。单相可功率因数校正(PFC)的整流器通常用于低功率场合，例如功率小于5kW，在更高的功率场合，必须采用三相PFC整流器。三相整流器根据是否具有直流侧电感可以分为两大类：电流源型和电压源型整流器；根据是否存在高频隔离变压器又可以分为隔离型和非隔离型。由三相桥式电路构成的非隔离三相电压源型整流器，在整流工作时直流侧呈升压特性，三相380V交流电压经其变换后直流电压通常达600～800V，通常需要通过隔离变压器或者在后级加DC/DC变换器进行降压后才能接到低压直流母线上。此外，电压源型AC/DC变换器的整流模式是升压(boost)类型，存在启动冲击问题，需要在功率传输路径中加入启动限流措施，影响变换器效率和功率密度，同时，升压型电路在空载或轻载工作时，系统的闭环控制也存在较大的难度，难以兼顾控制的稳定性和快速动态响应特性。隔离型整流器通常需要两级式结构，一种是在前级加入工频隔离变压器，这会导致变换器整体体积重量大、成本高；另一种是在后级加入高频隔离双向DC/DC变换器，但是两级式功率变换对系统效率有很大的负面影响，并且现有的高频隔离双向DC/DC变换器宽电压变化范围条件下的特性较差，这种变换器难以适应宽输入输出电压变化的应用需求。中国专利申请(公开号：CN109104108A)中通过采用单级式隔离型结构，省去了两级式变换器中间母线的大体积解耦储能电容，能够提高变换器的效率，但是该软开关型的单级式结构采用了两个移相全桥电路串联，导致功率传输需要流经四个功率器件的沟道，从而产生较大的传输损耗，影响了变换器效率的进一步提升。
技术实现思路
专利技术目的：为解决现有技术存在成本高、损耗大等问题，本专利技术提供一种单级式隔离型三相整流器及其控制方法。技术方案：本专利技术提供衶一种单级式隔离型三相整流器，该整流器包括：第一～第三交流侧电感、第一～第三交流侧电容、三相不控整流全桥电路、第一～第三双向开关、第一～第二变压器端电位单向箝位开关、双管正激电路；所述三相不控整流全桥电路包括同相并联的第一～第三桥臂，所述双管正激电路包括相互并联的第四、五桥臂、隔离变压器、第十一、十二二极管、第四电感、第四电容；所述第一～第三交流侧电感的一端分别连接三相交流电源，另外一端分别连接第一～第三交流侧电容的一端，且第一～第三交流侧电容的一端分别连接第一～第三桥臂的中点，所述三个交流侧电容的另外一端相互连接；第一～第三桥臂的中点分别与第一～第三双向开关的一端连接，三个双向开关的另外一端相互连接，且构成公共节点；第一、第二变压器端电位单向箝位开关的一端均与公共节点连接，另外一端分别与第四、五桥臂的中点连接；所述隔离变压器原边的一端通过第四电感与第四桥臂的中点连接，另外一端连接第五桥臂的中点；隔离变压器副边的一端连接第十一二极管的阳极，另外一端连接第十二二极管的阳极；第十一二极管的阴极与第十二二极管的阴极、第五电感的一端连接；第五电感的另外一端连接第四电容的一端，第四电容的另外一端连接第十二二极管的阳极；所述三相不控整流全桥电路的正、负极输出端分别连接双管正激电路的正、负极输入端。进一步的，所述第一桥臂包括第一、二二极管，且第一二极管的阳极与第二二极管的阴极相连，连接处为第一桥臂的中点；所述第二桥臂包括第三、四二极管，且第三二极管的阳极与第四二极管的阴极相连，连接处为第二桥臂的中点；所述第三桥臂包括第五、六二极管，且第五二极管的阳极与第六二极管的阴极相连，连接处为第三桥臂的中点；且第五二极管的阴极为三相不控整流全桥电路的正极输出端，第六二极管的阳极为三相不控整流全桥电路的正极输出端。进一步的，所述第一双向开关包括第一、二开关管，第一开关管的集电极连接第一桥臂的中点，发射极连接第二开关管的发射极；所述第二双向开关包括第三、四开关管，第三开关管的集电极连接第二桥臂的中点，发射极连接第四开关管的发射极；所述第三双向开关包括第五、六开关管，第五开关管的集电极连接第三桥臂的中点，发射极连接第六开关管的发射极；所述第一～六开关管均反并联一个二极管；第二、四、六开关管的集电极相互连接，构成公共节点。进一步的，第一变压器端电位单向箝位开关包括第七开关管和第七二极管，第七开关管的漏极连接公共节点，第七开关管的源极与第七二极管阳极连接，第七二极管阴极连接第四桥臂的中点；第八二极管的阴极连接公共节点，阳极连接第八二极管的源极，第八二极管的漏极连接第五桥臂的中点，所述第七，八开管的两端均并联一个二极管和一个电容，且与二极管为反向并联。进一步的，所述第四桥臂包括第九开关管、第九极管，第九开关管的漏极为双管正激电路的正极输入端，源极连接第九二极管的阴极，连接处为第四桥臂的中点，第九二极管的阳极为双管正激电路的负极输入端；所述第五桥臂包括第十开关管、第十二极管，第十二极管的阳极连接第十开关管的漏极，连接处为第五桥臂的中点；第十二极管的阴极连接第九开关管的漏极，第十开关管的源极连接第九二极管的阳极；第九、十开关管的两端均并联一个二极管和一个电容，且与二极管为反向并联。进一步的，所述开关管采用MOSFET或者IGBT。基于一种单级式隔离型三相整流器的控制方法，将三相交流电的相位角平均分为六个扇区，根据每个扇区生成控制第一～第三双向开关的驱动信号；采样直流侧即双管正激电路输出端的电压与电流信号，通过直流侧电压外环与直流侧电流内环产生调制比，根据实时的相位角信息和调制比产生控制第一～第二变压器端电位单向箝位开关和双管正激电路中开关管的驱动信号；从而使得该三相整流器输出直流电压，且使得第一～第三交流侧电感上的电流与三相交流电源的输入电压波形一致均为正弦波，且相位也相同。有益效果：本专利技术具有电压变化比例调整和电气隔离功能。输入的三相380V交流电压通过三相不控整流全桥以及三组双向开关为高频工作结构提供两个低频周期变化的脉动直流电压，双管正激电路以及变压器端电压箝位支路通过调整合适占空比，分别将两个低频周期变化的脉动直流电压输入斩波并叠加，形成在一个开关周期内平均绝对值不变的矩阵脉冲电压，最后通过半波整流电路以及直流侧LC滤波得到稳定的低压直流电压。本专利技术采用双管正激结构避免了桥臂直通现象，可靠性高，采用电流源型整流器结构，实现了buck型的整流模式，避免了以往boost整流模式的启动冲击问题，同时解决现有技术中三相整流器将三相380V交流电压变换为低压直流电压或者低压直流电压变换为三相380V交流电压时必须采用两级结构的问题，同时实现电气隔离，且功率传输路径上流过较少的功率器件，具备高效率的特点。此外，本专利技术还具有网侧电流正弦度好，网侧功率因数高，直流端口适应工作电压范围宽的特点。附图说明图1为本专利技术的电路结构图；图2为本专利技术的控制框图；图3为交流侧电压的扇区划分以及通过本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种单级式隔离型三相整流器，其特征在于，包括：第一～第三交流侧电感、第一～第三交流侧电容、三相不控整流全桥电路、第一～第三双向开关、第一～第二变压器端电位单向箝位开关、双管正激电路；所述三相不控整流全桥电路包括同相并联的第一～第三桥臂，所述双管正激电路包括相互并联的第四、五桥臂、隔离变压器、第十一、十二二极管、第四、五电感、第四电容；/n所述第一～第三交流侧电感的一端分别连接三相交流电源，另外一端分别连接第一～第三交流侧电容的一端，且第一～第三交流侧电容的一端分别连接第一～第三桥臂的中点，所述三个交流侧电容的另外一端相互连接；第一～第三桥臂的中点分别与第一～第三双向开关的一端连接，三个双向开关的另外一端相互连接，且构成公共节点；第一、第二变压器端电位单向箝位开关的一端均与公共节点连接，另外一端分别与第四、五桥臂的中点连接；所述隔离变压器原边的一端通过第四电感与第四桥臂的中点连接，另外一端连接第五桥臂的中点；隔离变压器副边的一端连接第十一二极管的阳极，另外一端连接第十二二极管的阳极；第十一二极管的阴极与第十二二极管的阴极、第五电感的一端连接；第五电感的另外一端连接第四电容的一端，第四电容的另外一端连接第十二二极管的阳极；所述三相不控整流全桥电路的正、负极输出端分别连接双管正激电路的正、负极输入端。/n...

【技术特征摘要】
1.一种单级式隔离型三相整流器，其特征在于，包括：第一～第三交流侧电感、第一～第三交流侧电容、三相不控整流全桥电路、第一～第三双向开关、第一～第二变压器端电位单向箝位开关、双管正激电路；所述三相不控整流全桥电路包括同相并联的第一～第三桥臂，所述双管正激电路包括相互并联的第四、五桥臂、隔离变压器、第十一、十二二极管、第四、五电感、第四电容；
所述第一～第三交流侧电感的一端分别连接三相交流电源，另外一端分别连接第一～第三交流侧电容的一端，且第一～第三交流侧电容的一端分别连接第一～第三桥臂的中点，所述三个交流侧电容的另外一端相互连接；第一～第三桥臂的中点分别与第一～第三双向开关的一端连接，三个双向开关的另外一端相互连接，且构成公共节点；第一、第二变压器端电位单向箝位开关的一端均与公共节点连接，另外一端分别与第四、五桥臂的中点连接；所述隔离变压器原边的一端通过第四电感与第四桥臂的中点连接，另外一端连接第五桥臂的中点；隔离变压器副边的一端连接第十一二极管的阳极，另外一端连接第十二二极管的阳极；第十一二极管的阴极与第十二二极管的阴极、第五电感的一端连接；第五电感的另外一端连接第四电容的一端，第四电容的另外一端连接第十二二极管的阳极；所述三相不控整流全桥电路的正、负极输出端分别连接双管正激电路的正、负极输入端。


2.根据权利要求1所述的一种单级式隔离型三相整流器，其特征在于，所述第一桥臂包括第一、二二极管，且第一二极管的阳极与第二二极管的阴极相连，连接处为第一桥臂的中点；所述第二桥臂包括第三、四二极管，且第三二极管的阳极与第四二极管的阴极相连，连接处为第二桥臂的中点；所述第三桥臂包括第五、六二极管，且第五二极管的阳极与第六二极管的阴极相连，连接处为第三桥臂的中点；且第五二极管的阴极为三相不控整流全桥电路的正极输出端，第六开关管的阳极为三相不控整流全桥电路的负极输出端。


3.根据权利要求1所述的一种单级式隔离型三相整流器，其特征在于，所述第一双向开关包括第一、二开关管，第一开关管的集电极连接第一桥臂的中点，发射极连接第二开关管的发射极；所述第二双向开关包括第三、四开关管，第三开关管的集电极连接第二...

【专利技术属性】
技术研发人员：张斌锋，谢少军，丰瀚麟，李周洋，陈文明，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，南京麦格安倍电气科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32