一种低电流应力及低纹波的三相整流器

技术领域

本发明涉及整流器技术领域，具体涉及一种低电流应力及低纹波的三相整流器。

背景技术

随着新能源的广泛应用，电力电子技术也随之一起蓬勃发展，而整流器则是电力电子的一个重点研究对象。目前较常用的三相电流源整流器结构有：不可控桥式整流、半控桥式整流、全控桥式整流。其中全控的整流方式由于其输出直流电压纹波小、交流测可调功率因数等优势，目前被广泛应用。

请参考图1，图1展示的是一种传统的IGBT三相全控桥式电流源整流器。此整流器的全控整流桥模块使用IGBT作为开关晶体管，以3个晶体管作为上桥臂，另外3个晶体管作为下桥臂，并在自然换流点处依次触发对应的晶体管，即可实现如图2所展示的整流效果。其中，图2所示的Ud1是上桥臂电压，Ud2是下桥臂电压，Ud是整流桥输出电压，也是Buck模块的输入电压。此整流器的Buck模块使用传统Buck变换器进行DC-DC降压变压，通过调节晶体开关管的占空比来调节变比。此整流器有结构简单、晶体管控制方法容易的优点。

然而，随着整流器的发展，各个行业对有着低电流应力、低纹波输出等特性的整流器的需求日益增长。上述传统三相全控桥式整流器要想实现低纹波输出，只能不断的增大滤波电感以达到更好的滤波效果，但更大的电感带来的损耗也会随之大大增加，且会导致系统响应变慢；并且，在输出电流较大时，晶体管将承受很大的电流应力，容易使得晶体管寿命受到很大影响，极大影响整流器的寿命和设备安全稳定。

发明内容

本发明的目的是提供一种低电流应力及低纹波的三相整流器，以解决传统三相全控整流器无法实现低纹波输出以及整流桥中晶体管电流应力高的问题。

本发明采取的技术方案为：它包括交流电流源模块，delta形全桥整流模块，低纹波Buck变压模块，IGBT控制模块，Buck控制模块，负载；其特征在于：交流电流源输出与delta形全桥整流模块输入相连，IGBT控制模块输出与delta形全桥整流模块输入相连，delta形全桥整流模块输出与低纹波Buck变压模块输入相连，低纹波Buck变压模块输出与负载相连；所述的交流电流源包括电流源Va、电流源Vb、电流源Vc，滤波电感L1、滤波电感L2、滤波电感L3，滤波电容C1、滤波电容C2、滤波电容C3；所述的delta形全桥整流模块包括晶体开关管Q1、晶体开关管Q2、晶体开关管Q3、晶体开关管Q4、晶体开关管Q5、晶体开关管Q6、二极管D1a、二极管D1b、二极管D2a、二极管D2b、二极管D3a、二极管D3b、二极管D4a、二极管D4b、二极管D5a、二极管D5b、二极管D6a、二极管D6b；所述的低纹波Buck变压模块包括晶体开关管Qb1、晶体开关管Qb2、电感Lf1、电感Lf2、二极管Df1、二极管Df2、二极管Df3、二极管Df4、滤波电容Cf。

所述的交流电流源中，电流源Va、电流源Vb、电流源Vc是对称三相电流源，幅值、频率相等，电流源Va相位比电流源Vb超前120°，电流源Vb相位比电流源Vc超前120°；所述的电流源Va、电流源Vb、电流源Vc采用星形中性点接地的接法，电流源Va的正极与滤波电感L1的正极相连，电流源Vb的正极与滤波电感L2的正极相连，电流源Vc的正极与滤波电感L3的正极相连，滤波电感L1的负极与滤波电容C1的正极相连，滤波电感L2的负极与滤波电容C2的正极相连，滤波电感L2的负极与滤波电容C2的正极相连，滤波电容C1、滤波电容C2、滤波电容C3采用星形中性点不接地接法。

所述的IGBT控制模块输出6路控制信号，输出接口分别为IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4、IGBT5、IGBT6。

所述的delta形全桥整流模块中，晶体开关管Q1、晶体开关管Q2、晶体开关管Q3、晶体开关管Q4、晶体开关管Q5、晶体开关管Q6采用2N6975型号IGBT晶体管；晶体开关管Q1门极与IGBT控制模块的IGBT1输出接口相连、集电极与二极管D1a和二极管D1b阴极相连、发射极与晶体开关管Q5发射极相连，晶体开关管Q3门极与IGBT控制模块的IGBT3输出接口相连、集电极与二极管D3a和二极管D3b阴极相连、发射极与晶体开关管Q5发射极相连，晶体开关管Q5门极与IGBT控制模块的IGBT5输出接口相连、集电极与二极管D5a和二极管D5b阴极相连、发射极与晶体开关管Q5发射极相连，晶体开关管Q4门极与IGBT控制模块的IGBT4输出接口相连、集电极与晶体开关管Q2集电极相连、发射极与二极管D4a和二极管D4b阳极相连，晶体开关管Q6门极与IGBT控制模块的IGBT6输出接口相连、集电极与晶体开关管Q2集电极相连、发射极与二极管D6a和二极管D6b阳极相连，晶体开关管Q2门极与IGBT控制模块的IGBT2输出接口相连、集电极与晶体开关管Q2集电极相连、发射极与二极管D2a和二极管D2b阳极相连，二极管D1a阳极与二极管D4a阴极相连并与交流电流源模块滤波电感L1负极相连，二极管D1b阳极与二极管D4b阴极相连并与交流电流源模块滤波电感L2负极相连，二极管D3a阳极与二极管D6a阴极相连并与交流电流源模块滤波电感L2负极相连，二极管D3b阳极与二极管D6b阴极相连并与交流电流源模块滤波电感L3负极相连，二极管D5a阳极与二极管D2a阴极相连并与交流电流源模块滤波电感L3负极相连，二极管D5b阳极与二极管D2b阴极相连并与交流电流源模块滤波电感L1负极相连。

所述的Buck控制模块输出2路信号，输出接口分别为IGBT_b1和IGBT_b2。

所述的低纹波Buck变压模块中，晶体开关管Qb1门极与Buck控制模块的IGBT_b1输出接口相连、集电极与delta形全桥整流模块的晶体开关管Q5发射极相连、发射极与二极管Df1阴极相连并与电感Lf1正极相连，晶体开关管Qb2门极与Buck控制模块的IGBT_b2输出接口相连、集电极与晶体开关管Q5发射极相连、发射极与二极管Df2阴极相连并与电感Lf2正极相连，电感Lf1负极与二极管Df3阳极相连，电感Lf2负极与二极管Df4阳极相连，滤波电容Cf正极与二极管Df3和二极管Df4阴极相连，滤波电容Cf负极与二极管Df1和二极管Df2阳极相连。

所述的负载为单相纯电阻负载，且负载正极、负极分别与低纹波Buck变压模块的滤波电感的正极、负极相连。

本发明一种低电流应力及低纹波的三相整流器的优点在于：首先，在整流桥部分，应用了相较传统整流桥不同的delta形接法；其次，在整流桥输出部分又增加了一种基于交错并联的低纹波Buck变换器，使得本发明所述整流器能够实现低纹波变压输出。本发明一种低电流应力及低纹波的三相整流器相较于传统三相全控桥式整流器，整流桥中晶体管承受电流应力更低，输出波形更加平滑，纹波更小，更加安全、稳定、实用。

为更清楚的说明本发明所提的一种低电流应力及低纹波的三相整流器，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

附图说明

图1为一种传统的IGBT三相全控桥式电流源整流器的结构图。

图2为一种传统的IGBT三相全控桥式电流源整流器的整流桥输出波形。

图3为本发明一种低电流应力及低纹波的三相整流器的电路结构图。

图4为本发明一种低电流应力及低纹波的三相整流器的delta形全桥整流模块局部电路结构图。

图5为本发明一种低电流应力及低纹波的三相整流器的Ua>Uc≥Ub时的整流桥开关状态图。

图6为本发明一种低电流应力及低纹波的三相整流器的IGBT控制模块的输出接口图。

图7为本发明一种低电流应力及低纹波的三相整流器的低纹波Buck变压模块占空比小于50%时的开关状态、电感电流及输出电压波形图。

图8为本发明一种低电流应力及低纹波的三相整流器的低纹波Buck变压模块占空比等于50%时的开关状态、电感电流及输出电压波形图。

图9为本发明一种低电流应力及低纹波的三相整流器的低纹波Buck变压模块占空比大于50%时的开关状态、电感电流及输出电压波形图。

图10为本发明一种低电流应力及低纹波的三相整流器的Buck控制模块的输出接口图。

图11为一种传统的IGBT三相全控桥式电流源整流器的输出电压波形。

图12为本发明一种低电流应力及低纹波的三相整流器的输出电压波形。

具体实施方式

图3所示为本发明一种低电流应力及低纹波的三相整流器的电路结构图。其具体结构如下：它包括交流电流源模块，delta形全桥整流模块，低纹波Buck变压模块，IGBT控制模块，Buck控制模块，负载；其特征在于：交流电流源输出与delta形全桥整流模块输入相连，IGBT控制模块输出与delta形全桥整流模块输入相连，delta形全桥整流模块输出与低纹波Buck变压模块输入相连，低纹波Buck变压模块输出与负载相连；所述的交流电流源包括电流源Va、电流源Vb、电流源Vc，滤波电感L1、滤波电感L2、滤波电感L3，滤波电容C1、滤波电容C2、滤波电容C3；所述的delta形全桥整流模块包括晶体开关管Q1、晶体开关管Q2、晶体开关管Q3、晶体开关管Q4、晶体开关管Q5、晶体开关管Q6、二极管D1a、二极管D1b、二极管D2a、二极管D2b、二极管D3a、二极管D3b、二极管D4a、二极管D4b、二极管D5a、二极管D5b、二极管D6a、二极管D6b；所述的低纹波Buck变压模块包括晶体开关管Qb1、晶体开关管Qb2、电感Lf1、电感Lf2、二极管Df1、二极管Df2、二极管Df3、二极管Df4、滤波电容Cf。

所述的交流电流源中，电流源Va、电流源Vb、电流源Vc是对称三相电流源，幅值、频率相等，电流源Va相位比电流源Vb超前120°，电流源Vb相位比电流源Vc超前120°；所述的电流源Va、电流源Vb、电流源Vc采用星形中性点接地的接法，电流源Va的正极与滤波电感L1的正极相连，电流源Vb的正极与滤波电感L2的正极相连，电流源Vc的正极与滤波电感L3的正极相连，滤波电感L1的负极与滤波电容C1的正极相连，滤波电感L2的负极与滤波电容C2的正极相连，滤波电感L2的负极与滤波电容C2的正极相连，滤波电容C1、滤波电容C2、滤波电容C3采用星形中性点不接地接法。

所述的IGBT控制模块输出6路控制信号，输出接口分别为IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4、IGBT5、IGBT6。

所述的delta形全桥整流模块中，晶体开关管Q1、晶体开关管Q2、晶体开关管Q3、晶体开关管Q4、晶体开关管Q5、晶体开关管Q6采用2N6975型号IGBT晶体管；晶体开关管Q1门极与IGBT控制模块的IGBT1输出接口相连、集电极与二极管D1a和二极管D1b阴极相连、发射极与晶体开关管Q5发射极相连，晶体开关管Q3门极与IGBT控制模块的IGBT3输出接口相连、集电极与二极管D3a和二极管D3b阴极相连、发射极与晶体开关管Q5发射极相连，晶体开关管Q5门极与IGBT控制模块的IGBT5输出接口相连、集电极与二极管D5a和二极管D5b阴极相连、发射极与晶体开关管Q5发射极相连，晶体开关管Q4门极与IGBT控制模块的IGBT4输出接口相连、集电极与晶体开关管Q2集电极相连、发射极与二极管D4a和二极管D4b阳极相连，晶体开关管Q6门极与IGBT控制模块的IGBT6输出接口相连、集电极与晶体开关管Q2集电极相连、发射极与二极管D6a和二极管D6b阳极相连，晶体开关管Q2门极与IGBT控制模块的IGBT2输出接口相连、集电极与晶体开关管Q2集电极相连、发射极与二极管D2a和二极管D2b阳极相连，二极管D1a阳极与二极管D4a阴极相连并与交流电流源模块滤波电感L1负极相连，二极管D1b阳极与二极管D4b阴极相连并与交流电流源模块滤波电感L2负极相连，二极管D3a阳极与二极管D6a阴极相连并与交流电流源模块滤波电感L2负极相连，二极管D3b阳极与二极管D6b阴极相连并与交流电流源模块滤波电感L3负极相连，二极管D5a阳极与二极管D2a阴极相连并与交流电流源模块滤波电感L3负极相连，二极管D5b阳极与二极管D2b阴极相连并与交流电流源模块滤波电感L1负极相连。

所述的Buck控制模块输出2路信号，输出接口分别为IGBT_b1和IGBT_b2。

所述的低纹波Buck变压模块中，晶体开关管Qb1门极与Buck控制模块的IGBT_b1输出接口相连、集电极与delta形全桥整流模块的晶体开关管Q5发射极相连、发射极与二极管Df1阴极相连并与电感Lf1正极相连，晶体开关管Qb2门极与Buck控制模块的IGBT_b2输出接口相连、集电极与晶体开关管Q5发射极相连、发射极与二极管Df2阴极相连并与电感Lf2正极相连，电感Lf1负极与二极管Df3阳极相连，电感Lf2负极与二极管Df4阳极相连，滤波电容Cf正极与二极管Df3和二极管Df4阴极相连，滤波电容Cf负极与二极管Df1和二极管Df2阳极相连。

所述的负载为单相纯电阻负载，且负载正极、负极分别与低纹波Buck变压模块的滤波电感的正极、负极相连。

接着，请参考图2、图4、图5和图6，本发明采用的delta形整流桥结构与传统IGBT三相全控桥式电流源整流器的不同之处在于，本发明对整流桥增加了6组控流二极管，实现共享电流以减小电流应力。以图2中Ⅰ区为例，此时交流电压关系为Ua>Uc≥Ub，因此二极管D1b、D3a、D5a、D4a、D6b、D2b由于承受反压而自然截止。由图2所示，此时需使得上桥臂电压为Ua，下桥臂输出电压为Ub，因此可使图6所示IGBT控制模块IGBT1-IGBT6输出接口分别输出高电平、低电平、低电平、高电平、高电平、高电平，晶体管Q1-Q6的门极收到图6所示IGBT控制模块对应IGBT1-IGBT6输出接口输出的信号，使得Q1、Q5、 Q4、Q6导通，晶体管Q3、Q2截止。此时整流桥开关状态图如图5，图中灰色元器件代表该器件截止。此时，桥臂中电流流向为：由a相电流源流入桥臂，流过D1a、Q1、D5b、Q5，经由滤波电感和滤波电容滤波后，供给后续电路，以及经过Q4、D4b、Q6、D6a流向b相电源。由此可见，在传统IGBT三相全控桥式电流源整流器中本应由Q1承受的a相电流在本发明的delta形整流桥结构中由Q1和Q5共享承受，本应由Q6承受的a相电流在本发明的delta形整流桥结构中由Q4和Q6共享承受，因此可大幅降低元件承受的电流应力。当交流电压关系为图2中所示的其余关系时，也可用类似方法分析各个晶体管和二极管的开关状态。

随后，请参考图2、图3以及图7-图10。经过上述整流过程， delta形全桥整流模块的输出波形如图2中的Ud，近似为直流输出。此输出电压即低纹波Buck变压模块的输入电压。当图10所示的Buck控制模块的输出端口IGBT_b1和IGBT_b2都输出占空比为D、幅值为1、周期等于1/6交流源周期的方波，且IGBT_b2滞后于IGBT_b1半个此方波周期时，晶体管Qb1和Qb2分别收到端口IGBT_b1和IGBT_b2的信号，使得Qb1和Qb2在高电平时导通、在低电平时截止。当IGBT_b1和IGBT_b2信号的占空比小于50%时，IGBT_b1信号、IGBT_b2信号、输出电压Uo以及电感Lf1和电感Lf2的电流波形如图7；当IGBT_b1和IGBT_b2信号的占空比等于50%时，IGBT_b1信号、IGBT_b2信号、输出电压Uo以及电感Lf1和电感Lf2的电流波形如图8；当IGBT_b1和IGBT_b2信号的占空比大于50%时，IGBT_b1信号、IGBT_b2信号、输出电压Uo以及电感Lf1和电感Lf2的电流I_Lf1、I_Lf2波形如图9。从图7、图8、图9可以看出，由于IGBT_b2滞后于IGBT_b1半个方波周期，因此流过电感Lf2的电流I_Lf2相应地滞后于流过电感Lf1的电流I_Lf1半个方波周期，而低纹波Buck变压模块的输出电流又等于I_Lf1与I_Lf2的和，因此输出电压的纹波峰峰值较小。

最后，请参考图11和图12。图11为图1所示一种传统的IGBT三相全控桥式电流源整流器的输出电压波形，可见整流器输出波形稳定后在337.156V和369.060V之间波动，纹波峰峰值约为32V。图12为图3所示本发明一种低电流应力及低纹波的三相整流器的输出电压波形，可见整流器输出波形稳定后在348.175V和368.238V之间波动，纹波峰峰值约为20V。因此，本发明一种低电流应力及低纹波的三相整流器能够很好地达到低纹波变压输出的目的。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，但并非用以限定本发明，对于熟悉本领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围内都可以做各种改动和修饰，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。