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CN109639160B - 基于软开关技术的新型单向三相三电平整流器 - Google Patents

基于软开关技术的新型单向三相三电平整流器 Download PDF

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CN109639160B
CN109639160B CN201811482810.XA CN201811482810A CN109639160B CN 109639160 B CN109639160 B CN 109639160B CN 201811482810 A CN201811482810 A CN 201811482810A CN 109639160 B CN109639160 B CN 109639160B
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Abstract

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。

Description

基于软开关技术的新型单向三相三电平整流器
技术领域
本发明涉及三相整流器技术领域，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。
背景技术
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。
发明内容
本发明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。
本发明采取的技术方案为：
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，考虑到本发明一共需要7路PWM波而一个e PWM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。
本发明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、本发明采用软开关技术，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、本发明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发明作进一步说明：
图1为本发明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为本发明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为本发明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为本发明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为本发明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为本发明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为本发明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为本发明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为本发明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为本发明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为本发明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所示为本发明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)分别为三相电网电压，ia、ib、ic为网侧输入电流，L为网侧滤波电感，三相滤波电感L大小相等，C1、C2为直流侧上下电容，Sa1、Sa2、Sb1、Sb2、Sc1、Sc2为构成该整流器整流桥的6个IGBT开关管，Da1、Da2、Db1、Db2、Dc1、Dc2为构成该整流器整流桥的6个快速恢复二极管。
本发明基于软开关技术的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的传导获得的；状态2是当开关SX1和SX2同时导通时获得的；状态3是由开关SX2和二极管DX2的传导获得的。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
Figure BDA0001893791680000041
令中性点n保持动态电压平衡，且
Figure BDA0001893791680000042
Uan分别有3种电平
Figure BDA0001893791680000043
Uab有五种电平
Figure BDA0001893791680000044
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，如图3-7所示：
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，电流ia经主开关Sa1、Sa2到达中位点n，电流ib流经主开关Sb1及二极管Db1后到达n点，电流ic经主开关Sc1及二极管Dc1到达n点。此时
Figure BDA0001893791680000051
阶段二(t1-t2)：t1时刻，辅助开关S3关断，谐振电感Lr与主开关Sc2的并联电容还有辅助开关S3的并联电容C3进行谐振，Lr对主开关Sc2的并联电容进行放电，对C3进行充电。到t2时刻，主开关Sc2并联电容两端的电压降为零，谐振停止，此时开通Sc2，则开关Sc2是在零电压条件下开通的。
阶段三(t2-t3)：该阶段整流器对应的工作矢量为(010)，主开关Sa1、Sa2、Sb1、Sc1及Sc2导通，，电流ia经主开关Sa1、Sa2到达中位点n，电流ib流经主开关Sb1及二极管Db1后到达n点，电流ic经主开关Sc1、Sc2到达中位点n。此时
Figure BDA0001893791680000053
谐振电感Lr与主开关Sb2的并联电容以及电容C3进行谐振，Lr对Sb2并联电容进行充电，对C3进行放电。到t3时刻C3两端的电压降为零，谐振停止，此时开通S3，则S3是在零电压条件下开通。
阶段四(t3-t4)：t3时刻起，主开关Sa1、Sa2、Sb1、Sc1、Sc2及辅助开关S3导通，
由谐振电感Lr、辅助开关S3和箝位电容Cc组成的谐振回路中Lr给Cc充电。
阶段五(t4-t5)：到t4时刻，主开关Sa2关断。此时整流器对应的工作矢量为(110)，主开关Sa1、Sb1、Sc1、Sc2及辅助开关导通S3。电流ia流经主开关Sa1及二极管Da1后到达中位点n；电流ib流经主开关Sb1及二极管Db1后到达n点；电流ic经主开关Sc1、Sc2后到达n点。此时
Figure BDA0001893791680000052
该整流器数学模型如下：
Figure BDA0001893791680000061
Van、Vbn分别为整流桥输入点a、b到直流侧中位点n的电压，Vno为直流侧n点到O点的电压。
图2所示为该整流器主辅开关配合时序图，从图2中可以看出主开关Sc2在开通之前需要辅助开关S3动作，进行谐振，从而产生谐振电流，谐振电流对主开关Sc2的并联电容进行放电，为Sc2的零电压开通创造条件。Sa2关断时依靠开关管两端并联电容的缓冲作用降低开关管的关断损耗。
图8所示为该整流器控制框图，利用双闭环控制方式，电流内环与电压外环均采用PI控制。
线路具体参数如下：
输入电压有效值为110V,频率50Hz,直流侧输出电压350V，开关频率10kHz，滤波电感L＝5mH，直流侧电容C1＝C2＝4400μF，谐振电路中谐振电感Lr＝50μH，开关管并联电容Ca1＝Ca2＝Cb1＝Cb2＝Cc1＝Cc2＝33nF，箝位电容Cc＝45nF，辅助开关并联电容C3＝5.04nF。
具体控制过程如下：
(1)通过采样电路对电网电压Ua(t)、Ub(t)、Uc(t)，交流侧电流ia(t)、ib(t)、ic(t)以及直流侧上、下电容电压Udc1、Udc2进行采样。
(2)将测量得到的Udc1、Udc2相加得到直流侧电压Udc，将Udc与给定参考值Udcref进行比较，得到其误差，将此误差作为电压外环PI调节器的输入值，电压外环PI调节器的输出值作为电流内环d轴电流的给定值。采样得到的电网电流ia、ib、ic经dq变换后的d轴电流与其误差经过解耦之后加上电网电压前馈ed，最后得到参考电压矢量的d轴分量Ud *。同样q轴类似，为了实现单位功率因数，因此q轴的给定电流为0。
(3)将得到的参考电压矢量Uq *、Ud *经过两相旋转坐标系到两相静止坐标系的反旋转坐标变换，即得到urα，urβ，随即进行三电平的SVPWM调制，从而产生驱动信号，控制开关管动作。
(4)将测量得到的Udc1、Udc2相减得到上下电容的电位差△Udc，通过一个简单的PI环节控制△Udc，从而得到中点电位调节因数f的值，计算分配正负小冗余矢量的作用时间，实质上分配对上下电容的充放电时间，从而解决三电平整流器中点电位不平衡的问题。
图9为该整流器输入侧电压电流波形图，从图9中可以看出电流总体正弦化程度较好，且电压电流实现同相位，实现了单位功率因数。
图11为该整流器主开关Sc2换流过程中UCE和UGE放大后波形图，从图11中可以看出在Sc2导通前，其集电极与发射极之间的电压已经降为零，软开关得以实现。

Claims (1)

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个分别与功功率开关管反并联的箝位二极管、以及2个快速恢复二极管组成；
整流桥臂1:功率开关管Sa1集电极与其反并联箝位二极管阴极、快速恢复二极管Da1阳极及第一缓冲电容一端相连；功率开关管Sa2集电极与其反并联箝位二极管阴极、快速恢复二极管Da1阳极及第二缓冲电容一端相连；功率开关管Sa1发射极与其反并联箝位二极管阳极、快速恢复二极管Da2阴极及第一缓冲电容另一端相连；功率开关管Sa2发射极与其反并联箝位二极管阳极、第二缓冲电容另一端及谐振电感Lr一端相连；
整流桥臂2:功率开关管Sb1集电极与其反并联箝位二极管阴极、快速恢复二极管Db1阳极及第三缓冲电容一端相连；功率开关管Sb2集电极与其反并联箝位二极管阴极、快速恢复二极管Db1阳极及第四缓冲电容一端相连；功率开关管Sb1发射极与其反并联箝位二极管阳极、快速恢复二极管Db2阴极及第三缓冲电容另一端相连；功率开关管Sb2发射极与其反并联箝位二极管阳极、第四缓冲电容另一端及谐振电感Lr一端相连；
整流桥臂3:功率开关管Sc1集电极与其反并联箝位二极管阴极、快速恢复二极管Dc1阳极及第五缓冲电容一端相连；功率开关管Sc2集电极与其反并联箝位二极管阴极、快速恢复二极管Dc1阳极及第六缓冲电容一端相连；功率开关管Sc1发射极与其反并联箝位二极管阳极、快速恢复二极管Dc2阴极及第五缓冲电容另一端相连；功率开关管Sc2发射极与其反并联箝位二极管阳极、第六缓冲电容另一端及谐振电感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；辅助开关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；辅助开关S3发射极与反向并联二极管阴极、并联电容C3另一端、钳位电容Cc一端相连；钳位电容Cc另一端与谐振电感Lr另一端、中位点n相连；
直流侧上电容C1一端连接快速恢复二极管Dc1阴极，直流侧上电容C1另一端连接直流侧下电容C2一端，直流侧下电容C2另一端连接快速恢复二极管Dc2阳极；
直流侧上电容C1另一端与直流侧下电容C2一端的连接点，构成中位点n；
所述缓冲回路由6个功率开关管Sa1、Sa2、Sb1、Sb2、Sc1、Sc2、以及与6个功率开关管Sa1、Sa2、Sb1、Sb2、Sc1、Sc2分别并联的第一、第二、第三、第四、第五、第六缓冲电容组成；
所述采样电路包括霍尔电压电流传感器，用于实现直流侧电压、电流和交流侧电压、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、对主电路功率开关管Sa1、Sa2、Sb1、Sb2、Sc1、Sc2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的功率开关管；
该新型单向三相三电平整流器有三种整流状态：
状态1是通过功率开关管SX1和快速恢复二极管DX1的传导获得；
状态2是当功率开关管SX1和功率开关管SX2同时导通时获得；
状态3是由功率开关管SX2和快速恢复二极管DX2的传导获得；
其中，X表示a、b、c；a表示三相电网a相，b表示三相电网b相，c表示三相电网c相，
根据在电路中的位置，可将电路中的6个功率开关管Sa1、Sa2、Sb1、Sb2、Sc1、Sc2分为3对，分别为Sai、Sbi、Sci，其中，i表示1、2，每个桥臂均有3个有效的开关状态(1，0，-1)，且满足：
Figure FDA0003077956830000021
其中，fa、fb、fc分别表示a、b、c相桥臂有效的开关状态；
令中位点n保持动态电压平衡，且
Figure FDA0003077956830000031
Uan分别有3种电平
Figure FDA0003077956830000032
0、
Figure FDA0003077956830000033
Uab有五种电平
Figure FDA0003077956830000034
-E、0、
Figure FDA0003077956830000035
E，
Udc1表示直流侧上电容C1的电压，Udc2表示直流侧下电容C2的电压，E为直流侧总电压值,Uab表示功率开关管Sa1发射极与功率开关管Sb1发射极之间的桥臂线电压；
由式(1-1)可知该整流器共有27种工作状态，通过(011)、(010)、(110)三种工作模式来说明软开关的实现方法：
阶段一(t0-t1)：该阶段整流器对应的工作矢量为(011)，功率开关管Sa1、Sa2、Sb1、Sc1及辅助开关S3导通，网侧输入电流ia经功率开关管Sa1、Sa2到达中位点n，网侧输入电流ib流经功率开关管Sb1及快速恢复二极管Db1后到达中位点n，网侧输入电流ic经功率开关管Sc1及快速恢复二极管Dc1到达中位点n；此时
Figure FDA0003077956830000036
Uan表示功率开关管Sa1发射极到直流侧中位点n之间的电压，Ubn表示功率开关管Sb1发射极到直流侧中位点n之间的电压，Ucn表示功率开关管Sc1发射极到直流侧中位点n之间的电压；
阶段二(t1-t2)：t1时刻，辅助开关S3关断，谐振电感Lr与功率开关管Sc2并联的第六缓冲电容还有辅助开关S3的并联电容C3进行谐振，谐振电感Lr对功率开关管Sc2并联的第六缓冲电容进行放电，对并联电容C3进行充电；到t2时刻，功率开关管Sc2并联的第六缓冲电容两端的电压降为零，谐振停止，此时开通功率开关管Sc2，则功率开关管Sc2是在零电压条件下开通的；
阶段三(t2-t3)：该阶段整流器对应的工作矢量为(010)，功率开关管Sa1、Sa2、Sb1、Sc1及Sc2导通，网侧输入电流ia经功率开关管Sa1、Sa2到达中位点n，网侧输入电流ib流经功率开关管Sb1及快速恢复二极管Db1后到达中位点n，网侧输入电流ic经功率开关管Sc1、Sc2到达中位点n；此时Uan＝Ucn＝0,
Figure FDA0003077956830000041
谐振电感Lr与功率开关管Sb2并联的第四缓冲电容以及并联电容C3进行谐振，谐振电感Lr对功率开关管Sb2并联的第四缓冲电容进行充电，对并联电容C3进行放电；到t3时刻并联电容C3两端的电压降为零，谐振停止，此时开通辅助开关S3，则辅助开关S3是在零电压条件下开通；
阶段四(t3-t4)：t3时刻起，功率开关管Sa1、Sa2、Sb1、Sc1、Sc2及辅助开关S3导通，由谐振电感Lr、辅助开关S3和箝位电容Cc组成的谐振回路中谐振电感Lr给箝位电容Cc充电；
阶段五(t4-t5)：到t4时刻，功率开关管Sa2关断；此时整流器对应的工作矢量为(110)，功率开关管Sa1、Sb1、Sc1、Sc2及辅助开关S3导通；网侧输入电流ia流经功率开关管Sa1及快速恢复二极管Da1后到达中位点n；网侧输入电流ib流经功率开关管Sb1及快速恢复二极管Db1后到达中位点n；网侧输入电流ic经功率开关管Sc1、Sc2后到达中位点n；此时
Figure FDA0003077956830000042
Figure FDA0003077956830000043
Ucn＝0；
该新型单向三相三电平整流器，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，具体控制过程如下：
(1)：通过采样电路对电网电压Ua(t)、Ub(t)、Uc(t)，交流侧电流ia(t)、ib(t)、ic(t)以及直流侧上、下电容电压Udc1、Udc2进行采样；
(2)：将测量得到的Udc1、Udc2相加得到直流侧总电压值E，将直流侧总电压值E与给定参考值Udcref进行比较，得到其误差，将此误差作为电压外环PI调节器的输入值，电压外环PI调节器的输出值作为电流内环d轴电流的给定值；采样得到的网侧输入电流ia、ib、ic经dq变换后的d轴电流与其误差经过解耦之后加上电网电压前馈ed，最后得到参考电压矢量的d轴分量Ud *；同样q轴类似，为了实现单位功率因数，因此q轴的给定电流为0；
(3)：将得到的参考电压矢量q轴分量Uq *、d轴分量Ud *，经过两相旋转坐标系到两相静止坐标系的反旋转坐标变换，即得到urα，urβ，随即进行三电平的SVPWM调制，从而产生驱动信号，控制功率开关管动作；
urα表示参考电压矢量d轴分量Ud *反旋转坐标变换得到电压量，urβ表示参考电压矢量q轴分量Uq *反旋转坐标变换得到电压量；
(4)：将测量得到的Udc1、Udc2相减，得到直流侧上、下电容的电位差△Udc，通过一个简单的PI环节控制△Udc，从而得到中位点n电位调节因数f的值，计算分配正负小冗余矢量的作用时间，实质上分配对直流侧上、下电容的充放电时间，从而解决三电平整流器中点电位不平衡的问题。
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