一种电压型三电平功率因数校正电路

1.本发明涉及一种三电平整流器，具体涉及一种电压型三电平功率因数校正电路。


背景技术：

2.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。
3.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。


技术实现要素：

4.本发明提供一种电压型三电平功率因数校正电路，该电压型多电平功率因数校正电路，交流侧电压波形为阶梯波形，相较于传统功率因数校正电路，形状更接近于正弦波，谐波更低。
5.本发明采取的技术方案为：一种电压型三电平功率因数校正电路，包括：交流电源，电感l，二极管d1~ d
10
，功率开关管s1、s2，分压电容c1、c2；交流电源一侧分别连接二极管d1阳极、二极管d2阴极、二极管d3阴极；交流电源另一侧连接电感l一端，电感l另一端分别连接二极管d4阴极、二极管d5阳极、二极管d6阴极、二极管d7阳极、二极管d8阴极；二极管d1阴极分别连接功率开关管s1漏极、二极管d5阴极、分压电容c1正极；二极管d2阳极分别连接二极管d6阳极、分压电容c2负极；二极管d3阳极分别连接功率开关管s1源极、二极管d4阳极；二极管d7阴极分别连接功率开关管s2漏极、二极管d9阴极；二极管d8阳极分别连接功率开关管s2源极、二极管d
10
阳极；二极管d9阳极连接二极管d
10
阴极、分压电容c1负极、分压电容c2正极；分压电容c1正极、分压电容c2负极分别连接负载r
l
两端。
6.所述二极管d1、d2组成第一整流桥臂，二极管d5、d6组成第二整流桥臂。
7.所述二极管d1、二极管d3、二极管d4、二极管d5、功率开关管s1相连，构成电感l的升压回路；该升压回路与第一整流桥臂共用二极管d1，该升压回路与第二整流桥臂共用二极管d5，减少了二极管的数量。
8.所述二极管d1阳极、二极管d2阴极、二极管d3阴极、交流电源一侧相连于节点a；二
极管d4阴极、二极管d5阳极、二极管d6阴极、二极管d7阳极、二极管d8阴极、电感l另一端相连于节点b。
9.所述二极管d1阴极、二极管d5阴极、功率开关管s1漏极、分压电容c1正极相连于节点p；二极管d9阳极、二极管d
10
阴极、分压电容c1负极、分压电容c2正极相连于节点n；二极管d2阳极、二极管d6阳极、分压电容c2负极相连于节点m。
10.所述功率开关管s1、s2均为绝缘栅型双极晶体管igbt、或者集成门极换流晶闸管igct、或者电力场效应晶体管mosfet。
11.根据载波层叠脉宽调制策略，将整个工频工作周期分为六种工作模态：工作模态一、工作在交流电源的正半周期：二极管d1、二极管d6，功率开关管s1、功率开关管s2断开。节点a和节点b之间电压u
ab
等于直流侧电压u
dc
，分压电容c1、分压电容c2充电，交流电源和电感l一起给负载r
l
供电，电感l电流线性下降；工作模态二、工作在交流电源的正半周期：二极管d1、二极管d8、二极管d9导通，功率开关管s2导通，功率开关管s1断开。节点a和节点b之间电压u
ab
等于直流侧电压u
dc
的一半，分压电容c1充电，分压电容c2放电，如果交流电源电压us高于u
dc
/2时，在此状态下，电感l电流线性上升，如果交流电源电压us小于u
dc
/2时，在此状态下，电感l电流线性下降；工作模态三、工作在交流电源的负半周期：二极管d1、二极管d4导通，功率开关管s1导通，功率开关管s2断开。节点a和节点b之间电压u
ab
等于零，分压电容c1、分压电容c2共同放电给负载r
l
充能，交流电源给电感l充电；工作模态四、工作在交流电源的负半周期：二极管d3、二极管d5导通，功率开关管s1导通，功率开关管s2断开。节点a和节点b之间电压u
ab
等于零，分压电容c1、分压电容c2共同放电给负载r
l
充能，交流电源给电感l充电；工作模态五、工作在交流电源的负半周期：二极管d7、二极管d
10
导通，功率开关管s2导通，功率开关管s1断开。节点a和节点b之间电压u
ab
等于负的直流侧电压u
dc
的一半，分压电容c1放电，分压电容c2充电，如果交流电源电压us的绝对值高于u
dc
/2时，在此状态下，电感l电流线性上升；如果交流电源电压us的绝对值小于u
dc
/2时，在此状态下，电感l电流线性下降；工作模态六、工作在交流电源的负半周期：二极管d2、二极管d5导通，功率开关管s1、功率开关管s2断开。节点a和节点b之间电压u
ab
等于负的直流侧电压u
dc
，分压电容c1、分压电容c2充电，交流电源和电感l一起给负载r
l
供电，电感l电流线性下降。
12.本发明一种电压型三电平功率因数校正电路，技术效果如下：1）该电压型多电平功率因数校正电路的二极管d1、二极管d3、二极管d4、二极管d5、功率开关管s1相连形成电感l的升压回路，该升压回路与第一整流桥臂共用二极管d1，和第二整流桥臂共用二极管d5，减少了二极管的数量。
13.2）该电压型多电平功率因数校正电路，交流侧电压波形为阶梯波形，相较于传统功率因数校正电路，形状更接近于正弦波，谐波更低。
附图说明
14.图1为本发明一种电压型三电平功率因数校正电路主拓扑结构图。
15.图2为本发明一种电压型三电平功率因数校正电路工作模态一示意图。
16.图3为本发明一种电压型三电平功率因数校正电路工作模态二示意图。
17.图4为本发明一种电压型三电平功率因数校正电路工作模态三示意图。
18.图5为本发明一种电压型三电平功率因数校正电路工作模态四示意图。
19.图6为本发明一种电压型三电平功率因数校正电路工作模态五示意图。
20.图7为本发明一种电压型三电平功率因数校正电路工作模态六示意图。
21.图8为本发明一种电压型三电平功率因数校正电路交流电源电压us和交流电源电流is波形图。
22.图9为本发明一种电压型三电平功率因数校正电路的节点a和节点b之间电压u
ab
波形图。
23.图10为本发明一种电压型三电平功率因数校正电路直流侧电压u
dc
波形图。
24.图11为本发明一种电压型三电平功率因数校正电路直流侧分压电容c1和分压电容c2上的电压u
dc1
、u
dc2
波形图。
具体实施方式
25.如图1所示，一种电压型三电平功率因数校正电路，包括包括交流电源、升压电感l、十个二极管，两个功率开关管、分压电容c1、分压电容c2。
26.二极管d1和二极管d2组成第一整流桥臂，二极管d5、二极管d6组成第二整流桥臂。二极管d1的阳极、二极管d2的阴极、二极管d3的阴极、交流电源一端相连于节点a；二极管d4的阴极、二极管d5的阳极、二极管d6的阴极、二极管d7的阴极、二极管d8的阴极、电感l的一端相连于节点b；二极管d1的阴极、二极管d5的阴极、功率开关管s1的漏极、分压电容c1的正极相连于节点p；二极管d9的阳极、二极管d
10
的阴极、分压电容c1的负极、分压电容c2的正极相连于节点n；二极管d2的阳极、二极管d6的阳极、分压电容c2的负极相连于节点m。
27.二极管d3的阳极、二极管d4的阳极、功率开关管s1的源极相连，二极管d7的阴极、二极管d9的阴极、功率开关管s2的漏极相连；二极管d8的阳极、二极管d
10
的阳极、功率开关管s2的源极相连，交流电源另一端与电感l相连，负载r
l
连接于节点p和节点m之间。
28.其中：us为交流电源电压，is为交流电源电流，u
ab
为节点a和节点b之间电压，u
dc
为直流侧电压，u
dc1
和u
dc2
分别为直流侧分压电容c1和分压电容c2上的电压，分压电容c1、分压电容c2共同稳定了直流侧电压，同时又可以储存电能向负载r
l
提供能量。
29.线路具体参数如下：交流电源电压us的有效值为220v，频率为50hz，直流侧输出电压u
dc
=400v，电感l=3mh，分压电容c1=c2=4700μf，开关频率fs=30khz，负载r
l
=60ω。
30.本发明一种电压型三电平功率因数校正电路，根据载波层叠脉宽调制策略，将整个工频工作周期分为六种工作模态：
工作模态一、工作在交流电源的正半周期：二极管d1、二极管d6，功率开关管s1、功率开关管s2断开。节点a和节点b之间电压u
ab
等于直流侧电压u
dc
，分压电容c1、分压电容c2充电，交流电源和电感l一起给负载r
l
供电，电感l电流线性下降；工作模态二、工作在交流电源的正半周期：二极管d1、二极管d8、二极管d9导通，功率开关管s2导通，功率开关管s1断开。节点a和节点b之间电压u
ab
等于直流侧电压u
dc
的一半，分压电容c1充电，分压电容c2放电，如果交流电源电压us高于u
dc
/2时，在此状态下，电感l电流线性上升，如果交流电源电压us小于u
dc
/2时，在此状态下，电感l电流线性下降；工作模态三、工作在交流电源的负半周期：二极管d1、二极管d4导通，功率开关管s1导通，功率开关管s2断开。节点a和节点b之间电压u
ab
等于零，分压电容c1、分压电容c2共同放电给负载r
l
充能，交流电源给电感l充电；工作模态四、工作在交流电源的负半周期：二极管d3、二极管d5导通，功率开关管s1导通，功率开关管s2断开。节点a和节点b之间电压u
ab
等于零，分压电容c1、分压电容c2共同放电给负载r
l
充能，交流电源给电感l充电；工作模态五、工作在交流电源的负半周期：二极管d7、二极管d
10
导通，功率开关管s2导通，功率开关管s1断开。节点a和节点b之间电压u
ab
等于负的直流侧电压u
dc
的一半，分压电容c1放电，分压电容c2充电，如果交流电源电压us的绝对值高于u
dc
/2时，在此状态下，电感l电流线性上升；如果交流电源电压us的绝对值小于u
dc
/2时，在此状态下，电感l电流线性下降；工作模态六、工作在交流电源的负半周期：二极管d2、二极管d5导通，功率开关管s1、功率开关管s2断开。节点a和节点b之间电压u
ab
等于负的直流侧电压u
dc
，分压电容c1、分压电容c2充电，交流电源和电感l一起给负载r
l
供电，电感l电流线性下降。
31.图8为本发明一种电压型三电平功率因数校正电路交流电源电压us和交流电源电流is波形图，网侧电压与电流同频同相位，也即实现了单位功率因数，证明了拓扑的可行性。
32.图9为本发明一种电压型三电平功率因数校正电路节点a和节点b之间电压u
ab
波形图，符合三电平电路工作特点，与理论分析一致。
33.图10为本发明一种电压型三电平功率因数校正电路直流侧电压u
dc
波形图，直流侧电压稳定在400v左右，证明了拓扑的可行性。
34.图11为本发明一种电压型三电平功率因数校正电路直流侧分压电容c1和分压电容c2上的电压u
dc1
、u
dc2
波形图，两分压电容电压波形动态平衡，证明该拓扑有效的实现了中点电位平衡。