一種高性能三電平中點(diǎn)鉗位pwm脈沖整流電路的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種高性能三電平中點(diǎn)鉗位PWM脈沖整流電路，包括網(wǎng)側(cè)電源、網(wǎng)側(cè)限流電感、網(wǎng)側(cè)漏電阻、第一功率開關(guān)管、第二功率開關(guān)管、第三功率開關(guān)管、第四功率開關(guān)管、第五功率開關(guān)管、第六功率開關(guān)管、第七功率開關(guān)管、第八功率開關(guān)管、第一鉗位二極管、第二鉗位二極管、第三鉗位二極管、第四鉗位二極管、第一電容、第二電容和負(fù)載。本實(shí)用新型基于三電平中點(diǎn)鉗位的高性能PWM脈沖整流電路采用多個(gè)功率開關(guān)管組合，回路中每個(gè)開關(guān)所承受的電壓較低，輸出電壓和電流中的諧波含量較少，有助于延長(zhǎng)整流器的使用壽命；可使整流器在工作在功率因數(shù)近似于1，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，特別適用于大功率電路中。
【專利說(shuō)明】
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及一種整流器主電路，尤其涉及一種高性能三電平中點(diǎn)鉗位PWM脈 沖整流電路。 一種高性能三電平中點(diǎn)鉗位PWM脈沖整流電路

【背景技術(shù)】
[0002] 脈沖整流器是由晶閘管構(gòu)成的傳統(tǒng)的相控橋式電路不僅可以實(shí)現(xiàn)交流電到直流 電的轉(zhuǎn)換，而且通過(guò)適當(dāng)?shù)目刂瓶梢詫?shí)現(xiàn)由直流電到交流電的轉(zhuǎn)換。伴隨著電力電子科技 的進(jìn)步和技術(shù)的革新，功率半導(dǎo)體開關(guān)器件的性能也有了大幅度的提1?，最初的不可控型 (電力二極管）及半控型（普通晶閘管）已經(jīng)很難滿足現(xiàn)在的工業(yè)技術(shù)需求，所以全控型功 率開關(guān)（雙極型晶體管、門極關(guān)斷晶閘管等）開始廣泛運(yùn)用。而且常規(guī)的整流電路因?yàn)椴?用的是二極管不可控整流電路和普通晶閘管整流電路，所以會(huì)對(duì)電網(wǎng)中注入大量的諧波， 會(huì)造成嚴(yán)重的電網(wǎng)污染，而且解決這個(gè)問(wèn)題最根本的方法就是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)電流的正弦化且運(yùn) 行于單位功率因數(shù)，為了解決這個(gè)問(wèn)題脈沖整流應(yīng)運(yùn)而生。
[0003] 脈沖整流器是一種以脈寬調(diào)制（PWM)方式工作的整流器，又稱為四象限變流器， 脈沖整流器與傳統(tǒng)的相控交流器具有實(shí)現(xiàn)能量雙向流動(dòng)，調(diào)節(jié)電網(wǎng)功率因數(shù)、諧波含量低、 減少對(duì)電網(wǎng)的"污染"，體積小、重量輕及動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于直流電機(jī)的調(diào)速方式，改 變直流電動(dòng)機(jī)的電樞電壓是最經(jīng)濟(jì)合理的調(diào)速方法，在交直系統(tǒng)中，通常采用傳統(tǒng)的相控 方式來(lái)改變晶閘管整流輸出的直流電壓，脈沖整流器網(wǎng)側(cè)呈現(xiàn)出受控電流源特性，因而這 一特性使脈沖整流器及其控制技術(shù)獲得進(jìn)一步的發(fā)展和拓寬，并取得了更為廣泛和更為重 要的應(yīng)用，如靜止無(wú)功補(bǔ)償、有源電力濾波、統(tǒng)一潮流控制、新型UPS、超導(dǎo)儲(chǔ)能等。
[0004] 目前我國(guó)生產(chǎn)的大功率交流傳動(dòng)牽引變流器均采用PWM整流器，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)大部 分為兩電平，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展傳統(tǒng)的兩電平脈沖整流器已經(jīng)相當(dāng)成熟，但是在大功率的 應(yīng)用中有很多的問(wèn)題難以解決，如需要昂貴且笨重的變壓器、較高的開關(guān)損耗及功率開關(guān) 難以達(dá)到規(guī)定的耐壓要求等，且為了適應(yīng)高電壓的要求，需采用器件串聯(lián)，因而需要復(fù)雜的 動(dòng)態(tài)均壓電路，均壓電路使系統(tǒng)復(fù)雜化、損耗增加、效率下降，同時(shí)兩電平脈沖整流器交流 側(cè)電壓總在兩電平上切換，當(dāng)開關(guān)頻率不高時(shí)，將導(dǎo)致諧波含量相對(duì)較大。 實(shí)用新型內(nèi)容
[0005] 本實(shí)用新型的目的就在于為了解決上述問(wèn)題而提供一種高性能三電平中點(diǎn)鉗位 PWM脈沖整流電路。
[0006] 本實(shí)用新型通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)上述目的：
[0007] -種高性能三電平中點(diǎn)鉗位PWM脈沖整流電路，包括網(wǎng)側(cè)電源、網(wǎng)側(cè)限流電感、網(wǎng) 側(cè)漏電阻、第一功率開關(guān)管、第二功率開關(guān)管、第三功率開關(guān)管、第四功率開關(guān)管、第五功率 開關(guān)管、第六功率開關(guān)管、第七功率開關(guān)管、第八功率開關(guān)管、第一鉗位二極管、第二鉗位二 極管、第三鉗位二極管、第四鉗位二極管、第一電容、第二電容和負(fù)載，所述網(wǎng)側(cè)電源的正極 與所述網(wǎng)側(cè)限流電感的第一端連接，所述網(wǎng)側(cè)限流電感的第二端與所述網(wǎng)側(cè)漏電阻的第一 端連接，所述網(wǎng)側(cè)漏電阻的第二端分別與所述第二功率開關(guān)管的正極端和所述第三功率開 關(guān)管的負(fù)極端連接，所述第二功率開關(guān)管的負(fù)極端分別與所述第一功率開關(guān)管的正極端和 所述第一鉗位二極管的負(fù)極連接，所述第一功率開關(guān)管的負(fù)極端分別與所述第五功率開關(guān) 管的負(fù)極端、所述第一電容的第一端和所述負(fù)載的第一端連接，所述第五功率開關(guān)管的正 極端分別與所述第六功率開關(guān)管的負(fù)極端和所述第三鉗位二極管的負(fù)極連接，所述第三功 率開關(guān)管的正極端分別與所述第四功率開關(guān)管的負(fù)極端和所述第二鉗位二極管的正極連 接，所述第一鉗位二極管的正極分別與所述第二鉗位二極管的負(fù)極、所述第三鉗位二極管 的正極和所述第四鉗位二極管的負(fù)極連接，所述第四功率開關(guān)管的正極端分別與所述第八 功率開關(guān)管的正極端、所述第二電容的第一端和所述負(fù)載的第二端連接，所述第八功率開 關(guān)管的負(fù)極端分別與所述第七功率開關(guān)管的正極端和所述第四鉗位二極管的正極連接，所 述第七功率開關(guān)管的負(fù)極端分別與所述第六功率開關(guān)管的正極端和所述網(wǎng)側(cè)電源的負(fù)極 連接，所述第一電容的第二端與所述第二電容的第二端連接。
[0008] 脈沖整流器電路每個(gè)橋臂上使用的絕緣柵雙極型晶體管的個(gè)數(shù)是兩電平的兩倍， 因此它的每個(gè)回路中每個(gè)開關(guān)管所承受的電壓只有兩電平的一半，從而增加了功率開關(guān)管 的使用壽命，而且三電平脈沖整流器能產(chǎn)生五種電平的線電壓，在相同開關(guān)頻率及控制方 式下，其輸出電壓和電流中的諧波含量遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)的兩電平脈沖整流器。
[0009] 具體地，所述第一功率開關(guān)管至所述第八功率開關(guān)管均由絕緣柵雙極型晶體管和 二極管組成，所述絕緣柵雙極型晶體管的第一源極與所述二極管的負(fù)極連接組成所述功率 開關(guān)管的負(fù)極端，所述絕緣柵雙極型晶體管的第二源極與所述二極管的正極連接組成所述 功率開關(guān)管的正極端。
[0010] 本實(shí)用新型的有益效果在于：
[0011] 本實(shí)用新型高性能三電平中點(diǎn)鉗位PWM脈沖整流電路采用多個(gè)功率開關(guān)管組合， 回路中每個(gè)開關(guān)所承受的電壓較低，輸出電壓和電流中的諧波含量較少，有助于延長(zhǎng)整流 器的使用壽命；可使整流器在工作在功率因數(shù)近似于1，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，特別適用于大功率電 路中。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0012] 圖1是本實(shí)用新型一種高性能三電平中點(diǎn)鉗位PWM脈沖整流電路的電路圖。

【具體實(shí)施方式】
[0013] 下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說(shuō)明：
[0014] 如圖1所示，本實(shí)用新型高性能三電平中點(diǎn)鉗位PWM脈沖整流電路，包括網(wǎng)側(cè)電源 uN、網(wǎng)側(cè)限流電感LN、網(wǎng)側(cè)漏電阻RN、第一功率開關(guān)管Tal、第二功率開關(guān)管T a2、第三功率開關(guān) 管Ta3、第四功率開關(guān)管Ta4、第五功率開關(guān)管T bl、第六功率開關(guān)管Tb2、第七功率開關(guān)管Tb3、第 八功率開關(guān)管T b4、第一鉗位二極管Dal、第二鉗位二極管Da2、第三鉗位二極管Dbl、第四鉗位 二極管D b2、第一電容Q、第二電容C2和負(fù)載，網(wǎng)側(cè)電源％的正極與網(wǎng)側(cè)限流電感L N的第一 端連接，網(wǎng)側(cè)限流電感LN的第二端與網(wǎng)側(cè)漏電阻RN的第一端連接，網(wǎng)側(cè)漏電阻R N的第二端 分別與第二功率開關(guān)管Ta2的正極端和第三功率開關(guān)管Ta3的負(fù)極端連接，第二功率開關(guān)管 Ta2的負(fù)極端分別與第一功率開關(guān)管Tal的正極端和第一鉗位二極管Dal的負(fù)極連接，第一功 率開關(guān)管Tal的負(fù)極端分別與第四功率開關(guān)管Tbl的負(fù)極端、第一電容Ci的第一端和負(fù)載的 第一端連接，第四功率開關(guān)管Tbl的正極端分別與第六功率開關(guān)管Tb2的負(fù)極端和第三鉗位 二極管D bl的負(fù)極連接，第三功率開關(guān)管Ta3的正極端分別與第四功率開關(guān)管Ta4的負(fù)極端和 第二鉗位二極管D a2的正極連接，第一鉗位二極管Dal的正極分別與第二鉗位二極管Da2的負(fù) 極、第三鉗位二極管D bl的正極和第四鉗位二極管Db2的負(fù)極連接，第四功率開關(guān)管Ta4的正 極端分別與第八功率開關(guān)管T b4的正極端、第二電容C2的第一端和負(fù)載的第二端連接，第八 功率開關(guān)管Tb4的負(fù)極端分別與第七功率開關(guān)管T b3的正極端和第四鉗位二極管Db2的正極 連接，第七功率開關(guān)管Tb3的負(fù)極端分別與第六功率開關(guān)管T b2的正極端和網(wǎng)側(cè)電源uN的負(fù) 極連接，第一電容Q的第二端與第二電容C2的第二端連接；第一功率開關(guān)管T al至第八功 率開關(guān)管Tb4均由絕緣柵雙極型晶體管和二極管組成，絕緣柵雙極型晶體管的第一源極與 二極管的負(fù)極連接組成功率開關(guān)管的負(fù)極端，絕緣柵雙極型晶體管的第二源極與二極管的 正極連接組成功率開關(guān)管的正極端。
[0015] 本實(shí)用新型一種高性能三電平中點(diǎn)鉗位PWM脈沖整流電路的工作原理如下：
[0016] 網(wǎng)側(cè)限流電感LN的電感值為5mH，網(wǎng)側(cè)漏電阻RN的阻值為50Ω，第一電容(^的電 容值為3300uF，第二電容(： 2的電容值為3000uF，絕緣柵雙極型晶體管的型號(hào)為G30P120N， 鉗位二極管的型號(hào)為IN5391。
[0017] 該電路采用8個(gè)絕緣柵雙極型晶體管和二極管反并聯(lián)構(gòu)成兩組8個(gè)功率開關(guān)管， 并且這兩組功率開關(guān)管帶4個(gè)鉗位二極管來(lái)防止第一電容Q或第二電容C 2因開關(guān)操作而 發(fā)生直通。同時(shí)本實(shí)用新型具有以下優(yōu)點(diǎn)：
[0018] 1、每一個(gè)功率開關(guān)管上承受的電壓峰值只有二電平整流器的1/2,比較適用于高 電壓、大容量（功率）的應(yīng)用場(chǎng)合；
[0019] 2、由于三電平整流器每個(gè)橋臂有3個(gè)開關(guān)狀態(tài)，每個(gè)開關(guān)狀態(tài)對(duì)應(yīng)不同的輸出電 壓，使得三電平整流器在開關(guān)頻率不是很高的情況下也能夠保證較好的正弦波形輸入電 流；
[0020] 3、三電平整流器輸入側(cè)電流波形即使在開關(guān)頻率較低時(shí)也能保證一定的正弦度， 在同樣的開關(guān)頻率及控制方式下，它的網(wǎng)側(cè)電流諧波總畸變率（THD)亦遠(yuǎn)小于二電平整流 器。
[0021] 本實(shí)用新型高性能三電平中點(diǎn)鉗位PWM脈沖整流電路具有九種工作模式,如下所 示：
[0022] 工作模式1 :Tal、Ta2、Tbl和Tb2導(dǎo)通，T a3、Ta4、Tb3和Tb4關(guān)斷，則牽引繞組向L N充電， LN存儲(chǔ)能量，正向網(wǎng)側(cè)電流幅值增大，Q和C2通過(guò)負(fù)載電流放電。
[0023] 工作模式2 :Tal、Ta2、Tb2和Tb3導(dǎo)通，T a3、Ta4、Tbl和Tb4關(guān)斷，則正向網(wǎng)側(cè)電流增大 (或減?。?，正向網(wǎng)側(cè)電流對(duì)Q進(jìn)行充電，而C 2通過(guò)負(fù)載電流放電。
[0024] 工作模式3 :Tal、Ta2、Tb3和Tb4導(dǎo)通，T a3、Ta4、Tbl和Tb2關(guān)斷，則正向網(wǎng)測(cè)電流幅值減 小，正向網(wǎng)側(cè)對(duì)(^和(： 2充電。
[0025] 工作模式：Ta2、Ta3、Tbl和T b2導(dǎo)通，Tal、Ta4、Tb3和Tb4關(guān)斷，則反向網(wǎng)側(cè)電流增大（或 減?。聪蚓W(wǎng)側(cè)電流對(duì)Q進(jìn)行充電，而C 2通過(guò)負(fù)載電流放電。
[0026] 工作模式5 :Ta2、Ta3、Tb2和Tb3導(dǎo)通，T al、Ta4、Tbl和Tb4關(guān)斷，則正向網(wǎng)側(cè)電流幅值增 大，Ci和c2通過(guò)負(fù)載電流放電。
[0027] 工作模式6 :Ta2、Ta3、Tb3和Tb4導(dǎo)通，T al、Ta4、Tbl和Tb2關(guān)斷，則正向網(wǎng)側(cè)電流幅值增 大（或減?。?，正向網(wǎng)側(cè)電流對(duì)(： 2進(jìn)行充電，而Q通過(guò)負(fù)載電流放電。
[0028] 工作模式7 :Ta3、Ta4、Tbl和Tb2導(dǎo)通，T al、Ta2、Tb3和Tb4關(guān)斷，則反向網(wǎng)側(cè)電流幅值減 小，反向網(wǎng)側(cè)電流對(duì)Q和C 2進(jìn)行充電。
[0029] 工作模式8 :Ta3、Ta4、Tb2和Tb3導(dǎo)通，T al、Ta2、Tbl和Tb4關(guān)斷，則反向網(wǎng)側(cè)電流幅值增 大（或減?。?，反向網(wǎng)側(cè)電流對(duì)C 2進(jìn)行充電，而Q通過(guò)負(fù)載電流放電。
[0030] 工作模式9 :Ta3、Ta4、Tb3和Tb4導(dǎo)通，T al、Ta2、Tbl和Tb2關(guān)斷，則正向網(wǎng)側(cè)電流幅值增 大，Q和C 2通過(guò)負(fù)載電流放電。
【權(quán)利要求】
1. 一種高性能三電平中點(diǎn)鉗位PWM脈沖整流電路，其特征在于：包括網(wǎng)側(cè)電源、網(wǎng)側(cè) 限流電感、網(wǎng)側(cè)漏電阻、第一功率開關(guān)管、第二功率開關(guān)管、第三功率開關(guān)管、第四功率開關(guān) 管、第五功率開關(guān)管、第六功率開關(guān)管、第七功率開關(guān)管、第八功率開關(guān)管、第一鉗位二極 管、第二鉗位二極管、第三鉗位二極管、第四鉗位二極管、第一電容、第二電容和負(fù)載，所述 網(wǎng)側(cè)電源的正極與所述網(wǎng)側(cè)限流電感的第一端連接，所述網(wǎng)側(cè)限流電感的第二端與所述網(wǎng) 側(cè)漏電阻的第一端連接，所述網(wǎng)側(cè)漏電阻的第二端分別與所述第二功率開關(guān)管的正極端和 所述第三功率開關(guān)管的負(fù)極端連接，所述第二功率開關(guān)管的負(fù)極端分別與所述第一功率開 關(guān)管的正極端和所述第一鉗位二極管的負(fù)極連接，所述第一功率開關(guān)管的負(fù)極端分別與所 述第五功率開關(guān)管的負(fù)極端、所述第一電容的第一端和所述負(fù)載的第一端連接，所述第五 功率開關(guān)管的正極端分別與所述第六功率開關(guān)管的負(fù)極端和所述第三鉗位二極管的負(fù)極 連接，所述第三功率開關(guān)管的正極端分別與所述第四功率開關(guān)管的負(fù)極端和所述第二鉗位 二極管的正極連接，所述第一鉗位二極管的正極分別與所述第二鉗位二極管的負(fù)極、所述 第三鉗位二極管的正極和所述第四鉗位二極管的負(fù)極連接，所述第四功率開關(guān)管的正極端 分別與所述第八功率開關(guān)管的正極端、所述第二電容的第一端和所述負(fù)載的第二端連接， 所述第八功率開關(guān)管的負(fù)極端分別與所述第七功率開關(guān)管的正極端和所述第四鉗位二極 管的正極連接，所述第七功率開關(guān)管的負(fù)極端分別與所述第六功率開關(guān)管的正極端和所述 網(wǎng)側(cè)電源的負(fù)極連接，所述第一電容的第二端與所述第二電容的第二端連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高性能三電平中點(diǎn)鉗位PWM脈沖整流電路，其特征在于：所 述第一功率開關(guān)管至所述第八功率開關(guān)管均由絕緣柵雙極型晶體管和二極管組成，所述絕 緣柵雙極型晶體管的第一源極與所述二極管的負(fù)極連接組成所述功率開關(guān)管的負(fù)極端，所 述絕緣柵雙極型晶體管的第二源極與所述二極管的正極連接組成所述功率開關(guān)管的正極 端。
【文檔編號(hào)】H02M7/217GK203883694SQ201420343426
【公開日】2014年10月15日 申請(qǐng)日期:2014年6月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月20日
【發(fā)明者】雷慧杰, 于江濤, 王立輝, 張艷偉 申請(qǐng)人:安陽(yáng)工學(xué)院