專利名稱：單級雙向升降壓整流器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及單級雙向升降壓整流器，屬于電力電子變換器的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
整流器廣泛應(yīng)用于通信電源，不間斷供電電源，蓄電池充電電源等場合。傳統(tǒng)的整流器電路拓?fù)浒妷涸凑髌骱碗娏髟凑髌鲀深?。電壓源整流器的輸出電壓高于交流輸入電壓，因此電壓源整流器本質(zhì)上是一個升壓型整流器，為了實現(xiàn)降壓變換的功能，需要額外增加一級降壓變換電路，導(dǎo)致變換器整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜。電流源整流器本質(zhì)上是一個降壓型整流器，為了實現(xiàn)升壓變換的功能，需要額外增加一級升壓變換電路，導(dǎo)致變換器整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜。電流源整流器只能實現(xiàn)單向功率傳輸，能量不能雙向流動。為了解決電壓源整流器和電流源整流器存在的上述問題，學(xué)者提出了 Z源整流器的概念，通過弓I入一個z源網(wǎng)絡(luò)將整流器主電路與電源耦合起來。與電壓源和電流源整流器相比，z源整流器能夠提供升降壓變換的功能，但引入了額外的由電感，電容組成的無源元件，增加了系統(tǒng)的體積，重量和實現(xiàn)成本，同時控制復(fù)雜。國內(nèi)外又在此基礎(chǔ)上陸續(xù)提出了一些改型的z源變換電路，其本質(zhì)都是通過引入無源元件來實現(xiàn)升壓，都存在上述問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對上述背景技術(shù)的不足，提供了單級雙向升降壓整流器。本發(fā)明為實現(xiàn)上述發(fā)明目的采用如下技術(shù)方案。一種單級雙向升降壓整流器，其輸入端與交流電源連接，輸出端接直流負(fù)載；所述單級雙向升降壓整流器包括依次連接的開關(guān)單元、輸入濾波單元、整流橋、輸出濾波單元，其中
開關(guān)單元包括第一互補(bǔ)雙向電力電子開關(guān)、第二互補(bǔ)雙向電力電子開關(guān)，第一互補(bǔ)雙向電力電子開關(guān)包括第一開關(guān)管、第二開關(guān)管，第二互補(bǔ)雙向電力電子開關(guān)包括第三開關(guān)管、第四開關(guān)管；
輸入濾波單元為濾波電感；
整流橋為單相整流橋；
輸出濾波單元為直流濾波電容；
所述第四開關(guān)管陽極、第二開關(guān)管陽極為所述單級雙向升降壓整流器輸入端端子；所述直流濾波電容兩級為所述單級雙向升降壓整流器輸出端端子；
所述第一開關(guān)管陰極與第二開關(guān)管陰極連接；所述第三開關(guān)管陰極與第四開關(guān)管陰極連接；所述第一開關(guān)管陽極、第三開關(guān)管陽極分別與濾波電感一端相連；所述濾波電感另一端接單相整流橋一個橋臂的中點，所述單相整流橋另一橋臂中點與所述第二開關(guān)管陽極連接；所述直流濾波電容與所述單相整流橋第二橋臂并聯(lián)。所述一種單級雙向升降壓整流器中，開關(guān)管包括MOS管和功率二極管，MOS管的漏極與功率二極管的陰極連接，MOS管的源極與功率二極管的陽極連接。所述一種單級雙向升降壓整流器中，開關(guān)管包括IGBT管和功率二極管，IGBT管的集電極與功率二極管的陰極連接，IGBT管的發(fā)射極與功率二極管的陽極連接。一種單級雙向升降壓整流器，其輸入端與交流電源連接，輸出端接直流負(fù)載；所述單級雙向升降壓整流器包括依次連接的開關(guān)單元、輸入濾波單元、整流橋、輸出濾波單元，其中:
開關(guān)單元包括第一互補(bǔ)雙向電力電子開關(guān)、第二互補(bǔ)雙向電力電子開關(guān)，第一互補(bǔ)雙向電力電子開關(guān)包括第一開關(guān)管、第二開關(guān)管、第三開關(guān)管，第二互補(bǔ)雙向電力電子開關(guān)包括第四開關(guān)管、第五開關(guān)管、第六開關(guān)管；
輸入濾波單元包括=A相濾波電感、B相濾波電感、C相濾波電感；
整流橋為二相整流橋；
輸出濾波單元直流濾波電容；
所述第四開關(guān)管陽極、第五開關(guān)管陽極、第六開關(guān)管陽極為所述單級雙向升降壓整流器輸入端端子；所述直流濾波電容兩級為所述單級雙向升降壓整流器輸出端端子；
所述第四開關(guān)管陰極、第一開關(guān)管陽極分別與A相濾波電感一端連接；所述A相濾波電感另一端與三相整流橋第一橋臂中點連接；所述第五開關(guān)管陰極、第二開關(guān)管陽極分別與B相濾波電感一端連接；所述B相濾波電感另一端與三相整流橋第二橋臂中點連接；所述第六開關(guān)管陰極、第三開關(guān)管陽極分別與C相濾波電感一端連接；所述C相濾波電感另一端與三相整流橋第三橋臂中點連接；所述直流濾波電容與所述三相整流橋第三橋臂并聯(lián)；所述第一開關(guān)管陰極、第二開關(guān)管陰極、第三開關(guān)管陰極均接地。所述一種單級雙向升降壓整流器中，開關(guān)管包括MOS管和功率二極管，MOS管的漏極與功率二極管的陰極連接，MOS管的源極與功率二極管的陽極連接。所述一種單級雙向升降壓整流器中，開關(guān)管包括IGBT管和功率二極管，IGBT管的集電極與功率二極管的陰極連接，IGBT管的發(fā)射極與功率二極管的陽極連接。本發(fā)明采用上述技術(shù)方案，具有以下有益效果:無需降壓變換電路即可實現(xiàn)降壓輸出和升壓輸出，同時實現(xiàn)了雙向傳輸能量，進(jìn)而簡化了整流器的結(jié)構(gòu)。


圖1為單級單相雙向升降壓整流器的框圖。圖2為具體實施例1的電路圖。圖3至圖5為具體實施例1在輸入電壓Vi=90V，R=20Q時的實驗波形圖。圖6至圖8為具體實施例1在輸入電壓Vi=264V，R=20 Ω時的實驗波形圖。圖9為具體實施例2的電路圖。圖10至圖12為具體實施例2在輸入電壓Vi=90V，R=20 Ω時的實驗波形圖。圖13至圖15為具體實施例2在輸入電壓Vi=264V，R=20 Ω時的實驗波形圖。圖中標(biāo)號說明:E為交流電壓源、Qf Q12為第一至第十二開關(guān)管，L為濾波電感、C為直流濾波電容，R為直流負(fù)載，La、Lb、Lc為A、B、C相濾波電感。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明:
本發(fā)明所述的單級雙向升降壓整流器如圖1所示，其輸入端與交流電源E連接，輸出端接直流負(fù)載R ;所述單級雙向升降壓整流器包括依次連接的開關(guān)單元、輸入濾波單元、整流橋、輸出濾波單元。具體實施例1:單級單相雙向升降壓整流器。如圖2所示的單級單相雙向升降壓整流器，包括開關(guān)單元、濾波電感L、單相整流橋、直流濾波電容C。單相整流橋包括兩個橋臂，第一橋臂包括第五、第六開關(guān)管Q5、Q6，第二橋臂包括第七、第八開關(guān)管Q7、Q8。第五開關(guān)管Q5的陰極與第六開關(guān)管Q6的陽極連接，第七開關(guān)管Q7的陰極與第八開關(guān)管Q8的陽極連接，第五開關(guān)管Q5陽極與第七開關(guān)管Q7陽極的連接點為單相整流橋的正端，第六開關(guān)管Q6陰極與第八開關(guān)管Q8陰極的連接點為單相整流橋的負(fù)端。第五、第六、第七、第八開關(guān)管Q5、Q6、Q7、Q8采用SPWM調(diào)制策略。開關(guān)單元包括第一互補(bǔ)雙向電力電子開關(guān)、第二互補(bǔ)雙向電力電子開關(guān)，第一互補(bǔ)雙向電力電子開關(guān)包括第一開關(guān)管Q1、第二開關(guān)管Q2，第二互補(bǔ)雙向電力電子開關(guān)包括第三開關(guān)管Q3、第四開關(guān)管Q4。第四開關(guān)管Q4陽極、第二開關(guān)管Q2陽極為所述單級雙向升降壓整流器輸入端端子，直流濾波電容C兩級為所述單級雙向升降壓整流器輸出端端子。第一開關(guān)管Ql陰極與第二開關(guān)管Q2陰極連接；第三開關(guān)管Q3陰極與第四開關(guān)管Q4陰極連接；第一開關(guān)管Ql的陽極、第三開關(guān)管Q3的陽極分別與濾波電感L 一端相連；濾波電感L另一端接單相整流橋一個橋臂的中點，單相整流橋另一橋臂中點與第二開關(guān)管Q2陽極連接；直流濾波電容C與所述單相整流橋第二橋臂并聯(lián)。兩組互補(bǔ)雙向電力電子開關(guān)采用恒定互補(bǔ)占空比控制策略。第一、二、三、四開關(guān)管Q1、Q2、Q3、Q4的具體開關(guān)方式為:當(dāng)輸入交流電壓為正時,第二、第三開關(guān)管Q2、Q3常通，第一、第四開關(guān)管Q1、Q4帶有死區(qū)時間互補(bǔ)開關(guān)；當(dāng)交流電壓為負(fù)時，第一、第四開關(guān)管Ql、Q4常通，第二、第三開關(guān)管Q2、Q3帶有死區(qū)時間互補(bǔ)開關(guān)。通過上述開關(guān)方式，能實現(xiàn)而第一和第二互補(bǔ)單相雙向電力電子開關(guān)的自然換流，實現(xiàn)開關(guān)的平滑切換。交流電壓源E的正負(fù)極分別與第四開關(guān)管Q4的陽極、第二開關(guān)管Q2的陰極連接。直流濾波電容C的正負(fù)極分別與單相整流橋的正負(fù)端連接，直流負(fù)載R與直流濾波電容C并聯(lián)。圖3、圖4、圖5為輸入交流電&Vi=90V，R=20Q時輸入電壓、濾波電感中流過的電流k以及直流濾波電容上電壓Vc的波形。圖中可以看到波電容上電壓Vc為200V，相比于電流源整流器只能單向傳輸功率的缺點，單級單相雙向升降壓整流器不僅無需升壓變換電路實現(xiàn)了升壓輸出同時可以雙向傳輸能量。圖6、圖7、圖8為輸入電壓Vi=264V，R=20 Ω時輸入電壓、濾波電感中流過的電流k以及直流濾波電容上電壓V。的波形，此時圖中直流濾波電容上電壓V。為200V，整流器實現(xiàn)了降壓功能，相比于電壓源整流器，單級單相雙向升降壓整流器無需降壓變換電路實現(xiàn)了降壓功能?？梢姡瑔渭墕蜗嚯p向升降壓整流器結(jié)構(gòu)簡單地實現(xiàn)了整流器的升降壓輸出以及能量的雙向傳輸。
具體實施例2，單級三相雙向升降壓逆變器:
如圖9所示的單級三相雙向升降壓逆變器，包括開關(guān)單元、三相濾波電感La、Lb、Lc，三相整流橋，直流濾波電容C。三相整流橋包括三個橋臂，第一橋臂包括第七、第八開關(guān)管Q7、Q8，第二橋臂包括第九、第十開關(guān)管Q9、Q10，第三橋臂包括第十一、第十二開關(guān)管Qll、Q12。第七開關(guān)管Q7的陰極與第八開關(guān)管Q8的陽極連接，第九開關(guān)管Q9的陰極與第十開關(guān)管QlO的陽極連接，第H^一開關(guān)管Qll的陰極與第十二開關(guān)管Q12的陽極連接，第七開關(guān)管Q7陽極、第九開關(guān)管Q9陽極、第十一開關(guān)管Qll陽極的連接點為三相整流橋的正端，第八開關(guān)管Q8陰極、第十開關(guān)管QlO陰極、第十二開關(guān)管Q12陰極的連接點為三相整流橋的負(fù)端。第七至第十二開關(guān)管Q7、12采用SPWM調(diào)制策略。開關(guān)單元包括第一互補(bǔ)雙向電力電子開關(guān)、第二互補(bǔ)雙向電力電子開關(guān)，第一互補(bǔ)雙向電力電子開關(guān)包括第一開關(guān)管Q1、第二開關(guān)管Q2、第三開關(guān)管Q3，第二互補(bǔ)雙向電力電子開關(guān)包括第四開關(guān)管Q4、第五開關(guān)管Q5、第六開關(guān)管Q6。第四開關(guān)管Q4陽極、第五開關(guān)管Q5陽極、第六開關(guān)管Q6陽極為單級雙向升降壓整流器輸入端端子；直流濾波電容C兩級為單級雙向升降壓整流器輸出端端子。第四開關(guān)管Q4陰極、第一開關(guān)管Ql陽極分別與A相濾波電感La —端連接；A相濾波電感La另一端與三相整流器第一橋臂中點連接；第五開關(guān)管Q5陰極、第二開關(guān)管Q2陽極分別與B相濾波電感Lb —端連接；B相濾波電感Lb另一端與三相整流器第二橋臂中點連接；第六開關(guān)管Q6陰極、第三開關(guān)管Q3陽極分別與C相濾波電感Lc 一端連接；C相濾波電感Lc另一端與三相整流器第三橋臂中點連接；直流濾波電容C與三相整流器第三橋臂并聯(lián)；第一開關(guān)管Ql陰極、第二開關(guān)管Q2陰極、第三開關(guān)管Q3陰極接地。兩組互補(bǔ)雙向電力電子開關(guān)采用恒定互補(bǔ)占空比控制策略。第一、第二、第三、第四、第五、第六開關(guān)管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6的具體開關(guān)方式為:檢測輸入的三相交流電壓，當(dāng)A相電壓為三相電壓中最小時，第一開關(guān)管Ql和第四開關(guān)管Q4常通，第二、第三開關(guān)管Q2、Q3和第五、第六開關(guān)管Q5、Q6互補(bǔ)導(dǎo)通，并帶有一定的死區(qū)時間；當(dāng)B相電壓為三相電壓中最小時，第二開關(guān)管Q2和第五開關(guān)管Q5常通，第一、第三開關(guān)管Q1、Q3和第四、第六開關(guān)管Q4、Q6互補(bǔ)導(dǎo)通，并帶有一定的死區(qū)時間；當(dāng)C相電壓為三相電壓中最小時，第三開關(guān)管Q3和第六開關(guān)管Q6常通，第一、第二開關(guān)管Ql、Q2和開關(guān)管第四、第五開關(guān)管Q4、Q5互補(bǔ)導(dǎo)通，并帶有一定的死區(qū)時間，通過上述開關(guān)方式，能實現(xiàn)而第一和第二互補(bǔ)單相雙向電力電子開關(guān)的自然換流，實現(xiàn)開關(guān)的平滑切換。交流電壓源E的三個進(jìn)線分別與第四開關(guān)管Q4的陽極、第五開關(guān)管Q5的陽極、第六開關(guān)管Q6的陽極連接，A相濾波電感La的兩端分別與三相整流橋第一橋臂的中點、第四開關(guān)管Q4的陰極連接，B相濾波電感Lb的兩端分別與三相整流橋第二橋臂的中點、第五開關(guān)管Q5的陰極連接，C相濾波電感Lc的兩端分別與三相整流橋第三橋臂的中點、第六開關(guān)管Q6的陰極連接，直流濾波電容C的正負(fù)極分別與三相整流橋的正負(fù)端連接，直流負(fù)載R與直流濾波電容C并聯(lián)。圖10、圖11、圖12為輸入交流電壓Vi=90V，R=20Q時三相輸入電壓、A、B、C三相濾波電感中流過的電流iLb, L以及直流濾波電容上電壓Vc的波形。圖中可以看到直流濾波電容上電壓\為300V， 相比于電流源整流器只能單向傳輸功率的缺點，單級三相雙向升降壓整流器不僅無需升壓變換電路實現(xiàn)了升壓輸出同時可以雙向傳輸能量。圖13、圖14、圖15為輸入電壓Vi=264V，R=20 Ω時A、B、C三相輸入電壓Via、Vib、Vic，A、B、C三相濾波電感中流過的電流ka，iLb, iLc以及直流濾波電容上電壓V。的波形，此時直流濾波電容上電壓V。為300V，逆變器實現(xiàn)了降壓功能，相比于電壓源整流器，單級單相雙向升降壓整流器無需降壓變換電路實現(xiàn)了降壓功能?？梢?，單級三相雙向升降壓整流器結(jié)構(gòu)簡單地實現(xiàn)了整流器的升降壓輸出以及能量的雙向傳輸。第一開關(guān)管至第十二開關(guān)管由MOS管和功率二極管組成或者由IGBT管和功率二極管組成。當(dāng)功率開掛管由MOS管和功率二極管組成時，MOS管的漏極與功率二極管的陰極連接，MOS管的源極與功率二極管的陽極連接。當(dāng)功率開關(guān)管由IGBT管和功率二極管組成時，IBGT管的集電極與功率二極管的陰極連接，IGBT管的發(fā)射極與功率二極管的陽極連接。綜上所述，當(dāng)輸入電壓較低時，此時需要實現(xiàn)升壓整流，第一互補(bǔ)雙向電力電子開關(guān)處于關(guān)斷狀態(tài)，第二互補(bǔ)雙向電力電子開關(guān)處于開通狀態(tài)，此時電路等效為傳統(tǒng)電壓源整流器，實現(xiàn)升壓整流功能；當(dāng)輸入電壓較高時，此時需要實現(xiàn)降壓整流，第一互補(bǔ)雙向電力電子開關(guān)與第二互補(bǔ)雙向電力電子開關(guān)處于互補(bǔ)開關(guān)狀態(tài)，通過調(diào)節(jié)第一互補(bǔ)雙向電力電子開關(guān)工作占空比實現(xiàn)降壓比的調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)降壓整流功能。本發(fā)明所述的單級雙向升降壓整流器無需升壓變換電路實現(xiàn)了整流器的升壓輸出；無需降壓變換電路實現(xiàn)了降壓輸出的同時雙向傳輸能量。
權(quán)利要求
1.一種單級雙向升降壓整流器，其輸入端與交流電源連接，輸出端接直流負(fù)載；其特征在于所述單級雙向升降壓整流器包括依次連接的開關(guān)單元、輸入濾波單元、整流橋、輸出濾波單元，其中: 開關(guān)單元包括第一互補(bǔ)雙向電力電子開關(guān)、第二互補(bǔ)雙向電力電子開關(guān)，第一互補(bǔ)雙向電力電子開關(guān)包括第一開關(guān)管(Q1)、第二開關(guān)管(Q2)，第二互補(bǔ)雙向電力電子開關(guān)包括第三開關(guān)管(Q3)、第四開關(guān)管(Q4)； 輸入濾波單元為濾波電感(L)； 整流橋為單相整流橋； 輸出濾波單元為直流濾波電容(C)； 所述第四開關(guān)管(Q4)陽極、第二開關(guān)管(Q2)陽極為所述單級雙向升降壓整流器輸入端端子；所述直流濾波電容(C)兩級為所述單級雙向升降壓整流器輸出端端子； 所述第一開關(guān)管(Ql)陰極與第二開關(guān)管(Q2)陰極連接；所述第三開關(guān)管(Q3)陰極與第四開關(guān)管(Q4)陰極連接；所述第一開關(guān)管(Ql)陽極、第三開關(guān)管(Q3)陽極分別與濾波電感(L)一端相連；所述濾波電感(L)另一端接單相整流橋一個橋臂的中點，所述單相整流橋另一橋臂中點與所述第二開關(guān)管(Q2)陽極連接；所述直流濾波電容(C)與所述單相整流橋第二橋臂并聯(lián)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種單級雙向升降壓整流器，其特征在于所述開關(guān)管包括MOS管和功率二極管，MOS管的漏極與功率二極管的陰極連接，MOS管的源極與功率二極管的陽極連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種單級雙向升降壓整流器，其特征在于所述開關(guān)管包括IGBT管和功率二極管，IGBT管的集電極與功率二極管的陰極連接，IGBT管的發(fā)射極與功率二極管的陽極連接。
4.一種單級雙向升降壓整流器，其輸入端與交流電源連接，輸出端接直流負(fù)載；其特征在于所述單級雙向升降壓整流器包括依次連接的開關(guān)單元、輸入濾波單元、整流橋、輸出濾波單元，其中: 開關(guān)單元包括第一互補(bǔ)雙向電力電子開關(guān)、第二互補(bǔ)雙向電力電子開關(guān)，第一互補(bǔ)雙向電力電子開關(guān)包括第一開關(guān)管(Q1)、第二開關(guān)管(Q2)、第三開關(guān)管(Q3)，第二互補(bǔ)雙向電力電子開關(guān)包括第四開關(guān)管(Q4)、第五開關(guān)管(Q5)、第六開關(guān)管(Q6)； 輸入濾波單元包括:A相濾波電感(La)、B相濾波電感(Lb)、C相濾波電感(Lc)； 整流橋為二相整流橋； 輸出濾波單元直流濾波電容(C)； 所述第四開關(guān)管(Q4)陽極、第五開關(guān)管(Q5)陽極、第六開關(guān)管(Q6)陽極為所述單級雙向升降壓整流器輸入端端子；所述直流濾波電容(C)兩級為所述單級雙向升降壓整流器輸出端端子； 所述第四開關(guān)管(Q4)陰極、第一開關(guān)管(Ql)陽極分別與A相濾波電感(La)—端連接；所述A相濾波電感(La)另一端與三相整流橋第一橋臂中點連接；所述第五開關(guān)管(Q5)陰極、第二開關(guān)管(Q2)陽極分別與B相濾波電感(Lb) —端連接；所述B相濾波電感(Lb)另一端與三相整流橋第二橋臂中點連接；所述第六開關(guān)管(Q6)陰極、第三開關(guān)管(Q3)陽極分別與C相濾波電感(Lc) 一端連接；所述C相濾波電感(Lc)另一端與三相整流橋第三橋臂中點連接；所述直流濾波電容(C)與所述三相整流橋第三橋臂并聯(lián)；所述第一開關(guān)管(Ql)陰極、第二開關(guān)管(Q2)陰極、第三開關(guān)管(Q3)陰極均接地。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種單級雙向升降壓整流器，其特征在于所述開關(guān)管包括MOS管和功率二極管，MOS管的漏極與功率二極管的陰極連接，MOS管的源極與功率二極管的陽極連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種單級雙向升降壓整流器，其特征在于所述開關(guān)管包括IGBT管和功率二極管，IGBT管的集電極與功率二極管的陰極連接，IGBT管的發(fā)射極與功率二極管的陽極連接。`
全文摘要
本發(fā)明涉及單級雙向升降壓整流器，屬于電力電子變換器的技術(shù)領(lǐng)域。所述單級雙向升降壓整流器包括依次連接的開關(guān)單元、輸入濾波單元、整流橋、輸出濾波單元；其輸入端與交流電源連接，輸出端接直流負(fù)載。開關(guān)單元包括第一互補(bǔ)雙向電力電子開關(guān)、第二互補(bǔ)雙向電力電子開關(guān)。升壓模式時，第二互補(bǔ)雙向電力電子開關(guān)常通，電路等效為傳統(tǒng)升壓整流器，實現(xiàn)升壓輸出；降壓模式時，第一和第二互補(bǔ)雙向電力電子開關(guān)互補(bǔ)導(dǎo)通，實現(xiàn)降壓輸出。本發(fā)明所述的單級雙向升降壓整流器無需降壓變換電路實現(xiàn)了整流器的升降壓輸出，同時實現(xiàn)了雙向傳輸能量。
文檔編號H02M7/12GK103078527SQ20131002021
公開日2013年5月1日 申請日期2013年1月21日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月21日
發(fā)明者湯雨 申請人:南京航空航天大學(xué)