專利名稱：雙升壓式能饋型pwm整流電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種雙升壓式能饋型PWM整流電路。

背景技術(shù)：
電力電子產(chǎn)品的廣泛應(yīng)用，對電網(wǎng)造成了嚴(yán)重的諧波。尤其是傳統(tǒng)二極管不控整流電路和晶閘管相控型整流電路，功率因數(shù)低，輸入電流中含有大量的低次諧波，對電網(wǎng)的污染尤為嚴(yán)重。PWM整流技術(shù)可以實現(xiàn)網(wǎng)側(cè)電流跟蹤電網(wǎng)電壓，具有功率因數(shù)高、體積小、效率高等諸多優(yōu)點，在電機驅(qū)動、不間斷電源(UPS)、高壓直流輸配電、可再生能源發(fā)電等場合得到了廣泛的應(yīng)用，成為電力電子研究的重點和熱點之一。傳統(tǒng)的PWM整流電路僅工作在AC/DC整流狀態(tài)，能量只能單向流動，而在軌道交通、大型機床等場合，驅(qū)動電機在制動時工作在發(fā)電狀態(tài)，會導(dǎo)致整流電路的直流母線電壓飚升。傳統(tǒng)的做法是在直流母線上增加能耗電阻，將電機制動產(chǎn)生的能量以熱能的形式消耗掉，造成了能源的浪費。近年來，隨著人們對環(huán)保節(jié)能和綠色能源意識的不斷增強，能量可以雙向流動的PWM整流電路得到了越來越多的關(guān)注，尤其是在太陽能、風(fēng)能等可再生能源發(fā)電場合，能饋型PWM整流電路更是不可缺少的組成部分。
傳統(tǒng)的能饋型PWM整流電路以橋式拓?fù)錇橹?，由于開關(guān)管直接串聯(lián)，存在著橋臂直通的隱患，影響了系統(tǒng)的可靠性。另外，傳統(tǒng)橋式整流電路，在功率開關(guān)管關(guān)斷的時候，電感電流從開關(guān)管的體二極管流通。對MOS型器件而言，提高M(jìn)OSFET性能的措施往往會導(dǎo)致體二極管性能變差，很難兼顧兩者的優(yōu)化。研究表明，隨著開關(guān)頻率的提高，開關(guān)器件體二極管的反向恢復(fù)問題趨于嚴(yán)重，反向恢復(fù)損耗在變換器總損耗中所占比例大幅增長。而在一些應(yīng)用場合如航空航天、UPS等對電源可靠性提出了更高的要求，希望能有一種新的高效率、高可靠性的整流電路來替代傳統(tǒng)的橋式整流電路。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種新穎的雙升壓式能饋型PWM整流器，旨在保留傳統(tǒng)橋式能饋型PWM整流器能量雙向流動的特點，又能克服傳統(tǒng)橋式PWM整流電路存在的橋臂直通隱患和開關(guān)管體二極管參與工作的缺點。
本發(fā)明雙升壓式能饋型PWM整流電路，包含輸入電源vin、兩個升壓型橋臂電路單元1、3及輸出濾波電容、負(fù)載電路4，共有兩只功率開關(guān)管S1、S2，兩只功率二極管D1、D2、兩個升壓電感L1、L2和兩兩個輸出濾波電容C1、C2，它們的電路連接關(guān)系如下輸入電源vin的參考正端與第一升壓型橋臂電路單元1中的升壓電感L1和第二升壓型橋臂電路單元3中的升壓電感L2的一端連接；第一升壓型橋臂電路單元1的功率開關(guān)管S1的漏極和第二升壓型橋臂電路單元3的續(xù)流二極管D2的陰極以及輸出濾波電容C1和負(fù)載電路單元4的正極性端相連；第一升壓型橋臂電路單元1的續(xù)流二極管D1的陽極和第二升壓型橋臂電路單元3的功率開關(guān)管S2的源極以及輸出濾波電容C2和負(fù)載電路單元4的負(fù)極性端相連；輸出濾波電容和負(fù)載電路4的兩個串聯(lián)電容C1、C2的中點與輸入電源的地相連；上述第一升壓型橋臂電路單元1的升壓電感L1的另一端(即不與輸入電源相連的一端)與該單元的功率開關(guān)管S1的源極和功率二極管D1的陰極相連；第二升壓型橋臂電路單元3的升壓電感L2的另一端與該單元的功率開關(guān)管S2的漏極和功率二極管D2的陽極相連。
在輸入電流的正半周，第二升壓型橋臂電路單元3工作，第一升壓型橋臂電路單元1不工作；而在輸入電流的負(fù)半周，剛好相反，第一升壓型橋臂電路單元1工作，第二升壓型橋臂電路單元3不工作。
本發(fā)明的雙升壓式能饋型PWM整流電路中，兩個升壓型橋臂電路單元根據(jù)輸入電流的正負(fù)情況輪流工作，在每個開關(guān)周期內(nèi)僅有一只功率管高頻斬波，且工作過程中無開關(guān)管的體二極管參與工作，開關(guān)、導(dǎo)通損耗小。本整流電路采用滯環(huán)電流控制，具有內(nèi)在限流、高精度和快速動態(tài)響應(yīng)的優(yōu)點。本整流器電路結(jié)構(gòu)簡單，輸出直流母線電壓大于輸入電源峰值電壓最大值的兩倍，適合于高壓中、大功率應(yīng)用場合。



附圖1是本發(fā)明的雙升壓式能饋型PWM整流電路結(jié)構(gòu)示意圖。
附圖2(a)、圖2(b)、圖2(c)、圖2(d)分別表示本發(fā)明雙升壓式能饋型PWM整流電路工作在整流模式或能饋型模式下不同開關(guān)模態(tài)的示意圖。
附圖3是本發(fā)明雙升壓式能饋型PWM整流電路采用的控制框圖。
附圖4是本發(fā)明雙升壓式能饋型PWM整流電路工作在整流模式下輸入電壓、輸入電流、電感電流以及驅(qū)動的波形示意圖。
附圖5是本發(fā)明雙升壓式能饋型PWM整流電路工作在能饋模式下輸入電壓、輸入電流、電感電流以及驅(qū)動的波形示意圖。
附圖1中的標(biāo)號名稱為1—第一升壓型橋臂電路單元；2—輸入電源；3—第二升壓型橋臂電路單元；4—輸出濾波電容及負(fù)載電路。
圖1—附圖5中的符號及其元件名稱為S1、S2——功率開關(guān)管，D1、D2——功率二極管，L1、L2——輸入升壓電感，C1、C2——輸出濾波電容，VC1、VC2是濾波電容C1、C2兩端的電壓，iL1、iL2——輸入升壓電感L1、L2電流波形，ve—電壓環(huán)調(diào)節(jié)器輸出電壓，iref——電流基準(zhǔn)，Q、

——D觸發(fā)器輸出邏輯，Drv1、Drv2——開關(guān)管S1、S2驅(qū)動信號，RL——負(fù)載阻抗，vin——整流其輸入電壓，Vo——整流器輸出直流母線電壓。

具體實施例方式 下面結(jié)合

本發(fā)明實施例的電路結(jié)構(gòu)及工作原理。
附圖1是雙升壓式能饋型PWM整流電路的結(jié)構(gòu)示意圖，其電路組成是，輸入電源vin的參考正端與第一升壓型橋臂電路單元1中的升壓電感L1的一端相連，升壓電感L1，的另一端與功率開關(guān)管S1的源極和功率二極管D1的陰極相連，功率開關(guān)管S1的漏極與輸出濾波電容C1正極和輸出負(fù)載的正端連接，功率二極管D1的陽極與輸出濾波電容C2的負(fù)極和輸出負(fù)載的負(fù)端連接，輸出濾波電容C1的負(fù)極和輸出濾波電容C2的正極與輸入電源vin的參考地連在一起，從而構(gòu)成了在輸入電流負(fù)半周的工作電路；輸入電源vin的參考正端與第二升壓型橋臂電路單元3升壓電感L2的一端相連，升壓電感L2的另一端與功率開關(guān)管S2的漏極和功率二極管D2的陽極連接，功率開關(guān)管S2的源極與輸出濾波電容C2的負(fù)極和輸出負(fù)載的負(fù)極性端相連，功率二極管D2的陰極與輸出濾波電容C1的正極和輸出負(fù)載的正極性端相連，輸出濾波電容C1的負(fù)極和輸出濾波電容C2的正極與輸入電源vin的參考地相連，這樣構(gòu)成了整流器在輸入電流負(fù)半周的工作電路。
附圖3是本發(fā)明雙升壓式能饋型PWM整流電路所采用的控制電路框圖，采用滯環(huán)電流控制技術(shù)，與傳統(tǒng)半橋能饋型PWM整流控制電路相比，僅增加了一個過零比較器和幾個邏輯門電路，控制簡單。即基準(zhǔn)電壓Vref和輸出電壓采樣值經(jīng)誤差放大器得到的誤差電壓信號Ve與輸入電壓的采樣值相乘，作為電流環(huán)的基準(zhǔn)iref，基準(zhǔn)電流再與電感L1與電感L2的采樣電流值的和(即輸入電流)送入滯環(huán)比較器，經(jīng)滯環(huán)比較器產(chǎn)生高頻脈沖信號，再經(jīng)過邏輯電路，最終輸出功率開關(guān)管S1、S2的驅(qū)動信號。
附圖4和附圖5分別給出兩個仿真實例。
附圖4給出了本發(fā)明電路工作在整流模式下，即帶能耗型負(fù)載時的一些主要波形。仿真參數(shù)如下輸入電壓220V/50Hz，輸出電壓750V，輸出功率1kW。由輸入電壓波形vin和輸入電流波形iin可以看出，輸入電流能夠很好的跟蹤電網(wǎng)電壓，整流器工作在單位功率因數(shù)下。另外，由兩個電感電流的波形iL1和iL2以及開關(guān)管的驅(qū)動波形Drv1和Drv2可以看出，兩個升壓型橋臂單元在電網(wǎng)電壓的正負(fù)半周輪流工作。
附圖5給出了本發(fā)明電路工作在能饋模式時(如負(fù)載為工作在制動發(fā)電時的直流電機)的一些主要波形。電網(wǎng)電壓為220V/50Hz，直流母線電壓為750V。由網(wǎng)側(cè)電流波形iin和電壓波形vin可以看出，整流器工作單位功率因數(shù)有源逆變下，電流波形和電壓波形剛好相差180度。另外，由兩個電感電流波形iL1和iL2以及開關(guān)管的驅(qū)動波形Drv1和Drv2可以看出，兩個升壓型橋臂單元在電網(wǎng)電壓的正負(fù)半周輪流工作。
以上兩個仿真實例均達(dá)到了預(yù)期的效果，驗證了本發(fā)明提出的主電路和控制電路是正確的、可行的。
工作原理及工作過程 下面以附圖1為主，結(jié)合附圖3來敘述本發(fā)明的雙升壓式能饋型PWM整流電路的具體工作原理和工作模態(tài)，對應(yīng)的電路關(guān)鍵波形見附圖4、附圖5。
根據(jù)輸入電壓和電流的相位，雙升壓式能饋型PWM整流電路可以工作在兩種不同的模式，當(dāng)輸入電壓和輸入電流同相位時，電路工作于整流模式，當(dāng)輸入電壓和輸入電流相位相差180°時，電路工作于有源逆變能饋模式。
A)整流模式 當(dāng)輸入電流大于0，處于正半周時，第二升壓型橋臂電路單元3和輸入電源vin以及輸出濾波電容和負(fù)載電路4工作，第一升壓型橋臂電路單元1不工作；而當(dāng)輸入電流小于0，處于負(fù)半周時，第一升壓型橋臂電路單元1和輸入電源vin以及輸出濾波電容和負(fù)載電路4工作，第二升壓型橋臂電路單元3不工作。此模式下電路有四個工作模態(tài) 1.工作模態(tài)I 如附圖2(a)所示，輸入電壓vin＞0，輸入電流等于電感L2的電流，iL2＞0，電感L1的電流iL1＝0，功率開關(guān)管S2開通，D2截止，電流iL2線性上升。
2.工作模態(tài)II 如附圖2(b)所示，輸入電壓vin＞0，輸入電流等于電感L2的電流，iL2＞0，電感L1的電流iL1＝0，功率開關(guān)管S2關(guān)閉，D2導(dǎo)通，電流iL2線性下降。
3.工作模態(tài)III 如附圖2(c)所示，輸入電壓vin＜0，輸入電流等于電感L1的電流，iL1＜0，電感L2的電流iL2＝0，功率開關(guān)管S1開通，D1截止，電流iL1線性上升。
4.工作模態(tài)IV 如附圖2(d)所示，輸入電壓vin＜0，輸入電流等于電感L1的電流，iL1＜0，電感L2的電流iL2＝0，功率開關(guān)管S1關(guān)閉，D1導(dǎo)通，電流iL1線性下降。
B)能饋模式 當(dāng)輸入電流大于0，處于正半周時，第二升壓型橋臂電路單元3和輸入電源vin以及輸出濾波電容和負(fù)載電路4工作，第一升壓型橋臂電路單元1不工作；而當(dāng)輸出電流小于0，處于負(fù)半周時，第一升壓型橋臂電路單元1和輸入電源vin以及輸出濾波電容和負(fù)載電路4工作，第二升壓型橋臂電路單元3不工作。此模式下電路也有四個工作模態(tài) 1.工作模態(tài)I 如附圖2(a)所示，輸入電壓vin＜0，輸入電流等于電感L2的電流，iL2＞0，電感L1的電流iL1＝0，功率開關(guān)管S2開通，D2截止，電流iL2線性上升。
2.工作模態(tài)II 如附圖2(b)所示，輸入電壓vin＜0，輸入電流等于電感L2的電流，iL2＞0，電感L1的電流iL1＝0，功率開關(guān)管S2關(guān)閉，D2導(dǎo)通，電流iL2線性下降。
3.工作模態(tài)III 如附圖2(c)所示，輸出電壓vin＞0，輸入電流等于電感L1的電流，iL1＜0，電感L2的電流iL2＝0，功率開關(guān)管S1開通，D1截止，電流iL1線性上升。
4.工作模態(tài)IV 如附圖2(d)所示，輸出電壓vin＞0，輸入電流等于電感L1的電流，iL1＜0，電感L2的電流iL2＝0，功率開關(guān)管S1關(guān)閉，D1導(dǎo)通，電流iL1線性下降。
由以上描述可知，本發(fā)明的雙升壓式能饋型PWM整流電路具有如下優(yōu)點 1.能量可以雙向流動； 2.無橋臂直通、無開關(guān)管體二極管反向恢復(fù)問題點； 3.PWM調(diào)制電路單元采用滯環(huán)電流控制方案，逆變器動態(tài)性能佳； 4.整個電路結(jié)構(gòu)和控制方案均較為簡單，易于實現(xiàn)。
權(quán)利要求
一種雙升壓式能饋型PWM整流電路，其特征在于包含輸入電源vin、兩個升壓型橋臂電路單元及輸出濾波電容、負(fù)載電路，共有兩只功率開關(guān)管S1、S2，兩只功率二極管D1、D2、兩個升壓電感L1、L2和兩個輸出濾波電容C1、C2，它們的電路連接關(guān)系如下輸入電源vin的參考正端與第一升壓型橋臂電路單元(1)中的升壓電感L1和第二升壓型橋臂電路單元(3)中的升壓電感L2的一端連接；第一升壓型橋臂電路單元(1)的功率開關(guān)管S1的漏極和第二升壓型橋臂電路單元(3)的續(xù)流二極管D2的陰極以及輸出濾波電容C1和負(fù)載電路(4)的正極性端相連；第一升壓型橋臂電路單元(1)的續(xù)流二極管D1的陽極和第二升壓型橋臂電路單元(3)的功率開關(guān)管S2的源極以及輸出濾波電容C2和負(fù)載電路單元(4)的負(fù)極性端相連；輸出濾波電容和負(fù)載電路4的兩個串聯(lián)電容C1、C2的中點與輸入電源的地相連；上述第一升壓型橋臂電路單元(1)中的升壓電感L1的另一端與該單元的功率開關(guān)管S1的源極和功率二極管D1的陰極相連；第二升壓型橋臂電路單元(3)的升壓電感L2的另一端與該單元的功率開關(guān)管S2的漏極和功率二極管D2的陽極相連；輸出濾波電容C1的負(fù)極和輸出濾波電容C2的正極與輸入電源vin參考地相連。
全文摘要
本發(fā)明涉及雙升壓式能饋型PWM整流電路，可工作在AC/DC整流或DC/AC有源逆變能饋模式。由輸入電源、兩個升壓型橋臂電路單元、輸出濾波電容和負(fù)載電路組成。第一升壓型橋臂電路單元由功率開關(guān)管、功率二極管和升壓電感構(gòu)成；第二升壓型橋臂電路單元由功率開關(guān)管、續(xù)流二極管和升壓電感構(gòu)成；輸出濾波電容和負(fù)載電路由兩個電容和負(fù)載構(gòu)成。兩個升壓型橋臂電路單元輪流工作半個電網(wǎng)周期，控制電路根據(jù)對輸入電流的正、負(fù)半周判斷，即可選擇對應(yīng)升壓型橋臂電路單元工作。該電路能量可以雙向流動，無橋臂直通問題，工作可靠性高；每開關(guān)周期僅一只功率管高頻斬波，損耗小。本整流電路在UPS、航空航天等場合有很好的應(yīng)用前景。
文檔編號H02M7/219GK101183836SQ20071013558
公開日2008年5月21日 申請日期2007年11月16日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月16日
發(fā)明者杰 陳, 龔春英, 新 陳, 喻 張 申請人:南京航空航天大學(xué)