应用于中压固态变压器的五电平功率因数校正整流器及其控制方法技术

本发明专利技术公开一种应用于中压固态变压器的五电平功率因数校正整流器及其控制方法，包括由二极管组成的单相不控桥整流电路、两个滤波电感、八个带反并二极管的全控型开关管、两个箝位电容、两个直流母线电容。本发明专利技术电路可以使开关管电压应力减小到1/4，滤波电感感值减小到1/16，具有低成本、高效率、高功率密度的优点，更加适合应用于大功率中压固态变压器。同时，本发明专利技术方法可实现五种电平斩波功能，并避免了箝位电压偏移、中点电压偏移而造成的器件损坏。采用本发明专利技术的单相五电平功率因数校正整流器拓扑作为中压固态变压器的第一级AC/DC模块，可使用三路完全相同的单相五电平功率因数校正整流器和隔离型DC/DC变换器完成中压电网到低压直流的功率变换。到低压直流的功率变换。到低压直流的功率变换。

【技术实现步骤摘要】
应用于中压固态变压器的五电平功率因数校正整流器及其控制方法


[0001]本专利技术涉及中压固态变压器领域，尤其涉及一种单相五电平功率因数校正整流器及其控制方法。

技术介绍

[0002]传统电力变压器需要消耗大量铜铁等材料、低频工作、体积庞大，存在铁芯饱和、直流偏置、励磁浪涌、损耗大等问题，此外也不具备谐波抑制、故障保护传递的能力。为满足数据中心、电动汽车充电等大功率直流性负荷的供电需求，中压固态变压器受到广泛关注。中压固态变压器相比传统电力变压器是一种配电效率高、体积小、可靠性高的电力电子解决方案，其需要实现从中压交流电网到低压直流的功率变换，中压固态变压器由多级架构组成，而第一级常为功率因数校正(Power Factor Correction，PFC)整流器。
[0003]传统功率器件的耐压通常在6.5kV以下，难以满足中压PFC整流器电压要求，同时也造成滤波器体积过大等问题。受目前功率器件耐压以及开关损耗的限制，传统的两电平PFC整流器已经难以应用于中压固态变压器。而采用级联式多电平变换器或模块化多电平变换器(Modular Multilevel
‑
Cascade Converter，MMC)则造成电路结构复杂、控制难度大、成本高等问题。
[0004]综上，如何提供一种应用于中压固态变压器的功率因数校正整流器，使得电路简化、控制简单、成本降低、效率提高、系统体积降低是本领域技术人员亟待解决的一大技术难题。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种应用于中压固态变压器的五电平功率因数校正整流器及其控制方法，以解决上述器件耐压受限、开关频率过低、滤波器体积过大的技术问题。本专利技术电路具有低成本、高效率、高功率密度的优点，更加适合应用于大功率中压固态变压器。同时，为本专利技术的单相五电平功率因数校正整流器提供一种PWM调制方法、一种箝位电容电压控制方法以及一种中点电压控制方法。
[0006]本专利技术采用的技术方案如下：
[0007]本专利技术提供一种应用于中压固态变压器的五电平功率因数校正整流器，包括由二极管组成的单相不控桥整流电路、两个滤波电感L1和L2、八个带反并二极管的全控型开关管S1～S8、两个箝位电容C1和C2、两个直流母线电容C3和C4；其中，开关管S1的发射级、开关管S2的集电极与滤波电感L1一端相连，记为点a，开关管S3的发射级、开关管S1的集电极与箝位电容C1的正极相连，开关管S2的发射级、开关管S4的集电极与箝位电容C1的负极相连，开关管S5的发射级、开关管S6的集电极与滤波电感L2一端相连，记为点b，开关管S7的发射级、开关管S5的集电极与箝位电容C2的正极相连，开关管S6的发射级、开关管S8的集电极与箝位电容C2的负极相连，开关管S3的集电极、母线电容C3的正极与直流正极相连，开关管S4的发射极、开
关管S7的集电极、母线电容C3的负极与母线电容C4的正极相连，记为点o，开关管S8的发射极、母线电容C4的负极与直流负极相连。
[0008]所述的单相五电平功率因数校正整流器中所有的全控型开关管S1～S8的电压应力均为直流母线电压的1/4，即V
dc
/4；箝位电容C1、C2的电压均为直流母线电压的1/4，即V
dc
/4；母线电容C3、C4的电压均为直流母线电压的1/2，即V
dc
/2；桥臂电压v
ab
可输出五种电平，即0、V
dc
/4、V
dc
/2、3V
dc
/4、V
dc
；a、o两点电压v
ao
可输出三种电平，即0、V
dc
/4、V
dc
/2；b、o两点电压v
bo
可输出三种电平，即0、
‑
V
dc
/4、
‑
V
dc
/2。
[0009]本专利技术的另一方面内容是提供一种单相五电平功率因数校正整流器控制方法，包括一种PWM调制方法、和/或一种箝位电容电压控制方法、和/或一种中点电压控制方法。
[0010]所述PWM调制方法包括：采用两个正负对称的馒头波调制信号v
m1
、v
m2
，其幅值等于电网电压幅值V
m
与直流电压V
dc
的比值，即调制比M＝V
m
/V
dc
；四个三角载波信号v
c1
～v
c4
，频率均等于开关频率f
s
，载波信号v
c1
、v
c2
变化范围为[0，1]，载波信号v
c3
、v
c4
变化范围为[
‑
1，0]，载波信号v
c2
相比v
c1
相位差180
°
，载波信号v
c3
相比v
c1
相位差90
°
，载波信号v
c4
相比v
c3
相位差180
°
；正调制信号v
m1
与载波信号v
c1
相比作为开关管S1、S2的驱动信号，即当v
m1
>v
c1
时，S1＝1，S2＝0，而当v
m1
<v
c1
时，S1＝0，S2＝1；正调制信号v
m1
与载波信号v
c2
相比作为开关管S3、S4的驱动信号，即当v
m1
>v
c2
时，S3＝1，S4＝0，而当v
m1
<v
c2
时，S3＝0，S4＝1；负调制信号v
m2
与载波信号v
c3
相比作为开关管S5、S6的驱动信号，即当v
m2
>v
c3
时，S5＝1，S6＝0，而当v
m2
<v
c3
时，S5＝0，S6＝1；负调制信号v
m2
与载波信号v
c4
相比作为开关管S7、S8的驱动信号，即当v
m2
>v
c4
时，S7＝1，S8＝0，而当v
m2
<v
c4
时，S7＝0，S8＝1。
[0011]所述箝位电容电压控制方法是通过对开关管S1～S4的占空比调整ΔD
c1
实现对箝位电容C1电压的动态控制，且不改变v
ao
的开关周期平均值；通过对开关管S5～S8的占空比调整ΔD
c2
实现对箝位电容C2电压的动态控制，且不改变v
bo
的开关周本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种单相五电平功率因数校正整流器，其特征在于：包括由二极管组成的单相不控桥整流电路、两个滤波电感L1和L2、八个带反并二极管的全控型开关管S1～S8、两个箝位电容C1和C2、两个直流母线电容C3和C4；其中，开关管S1的发射级、开关管S2的集电极与滤波电感L1一端相连，记为点a，开关管S3的发射级、开关管S1的集电极与箝位电容C1的正极相连，开关管S2的发射级、开关管S4的集电极与箝位电容C1的负极相连，开关管S5的发射级、开关管S6的集电极与滤波电感L2一端相连，记为点b，开关管S7的发射级、开关管S5的集电极与箝位电容C2的正极相连，开关管S6的发射级、开关管S8的集电极与箝位电容C2的负极相连，开关管S3的集电极、母线电容C3的正极与直流正极相连，开关管S4的发射极、开关管S7的集电极、母线电容C3的负极与母线电容C4的正极相连，记为点o，开关管S8的发射极、母线电容C4的负极与直流负极相连；所述的单相五电平功率因数校正整流器中所有的全控型开关管S1～S8的电压应力均为直流母线电压的1/4，即V
dc
/4；箝位电容C1、C2的电压均为直流母线电压的1/4，即V
dc
/4；母线电容C3、C4的电压均为直流母线电压的1/2，即V
dc
/2；桥臂电压v
ab
可输出五种电平，即0、V
dc
/4、V
dc
/2、3V
dc
/4、V
dc
；a、o两点电压v
ao
可输出三种电平，即0、V
dc
/4、V
dc
/2；b、o两点电压v
bo
可输出三种电平，即0、
‑
V
dc
/4、
‑
V
dc
/2。2.权利要求1所述单相五电平功率因数校正整流器的控制方法，其特征在于，包括一种PWM调制方法、和/或一种箝位电容电压控制方法、和/或一种中点电压控制方法；所述的一种PWM调制方法实现五种电平斩波，具体为：采用两个正负对称的馒头波调制信号v
m1
、v
m2
，其幅值等于电网电压幅值V
m
与直流电压V
dc
的比值，即调制比M＝V
m
/V
dc
；四个三角载波信号v
c1
～v
c4
，频率均等于开关频率f
s
，载波信号v
c1
、v
c2
变化范围为[0，1]，载波信号v
c3
、v
c4
变化范围为[
‑
1，0]，载波信号v
c2
相比v
c1
相位差180
°
，载波信号v
c3
相比v
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相位差90
°
，载波信号v
c4
相比v
c3
相位差180
°
；正调制信号v
m1
与载波信号v
c1
相比作为开关管S1、S2的驱动信号，即当v
m1
>v
c1
时，S1＝1，S2＝0，而当v
m1
<v
c1
时，S1＝0，S2＝1；正调制信号v
m1
与载波信号v
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相比作为开关管S3、S4的驱动信号，即当v
m1
>v
c2
时，S3＝1，S4＝0，而当v
m1
<v
c2
时，S3＝0，S4＝1；负调制信号v
m2
与载波信号v
c3
相比作为开关管S5、...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐德鸿，邓金溢，龙海鸿，吴昕，李佳隆，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：