[发明专利]一种五电平高效整流器

说明书

本发明公开了一种五电平高效整流器，可适用于单相、三相结构，其包括直流电源、分压电容模块，每相电路包括两个硅基二极管模块、吸收电容、飞跨电容、两个碳化硅基金属氧化物半导体场效应晶体管模块和滤波电感。本发明整流器的特点在于只有碳化硅基金属氧化物半导体场效应晶体管具有高频开关动作，因此开关损耗小；相比于全碳化硅基整流器方案，本发明技术方案由于采用硅基功率二极管，整体成本低；相比于其它二、三电平电路，本发明技术方案能够实现五电平整流，可推广至中压应用。该整流器适用于中高压、大功率应用有源前端场合。

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种五电平高效整流器。

背景技术

AC-DC有源整流器技术是现代工业非常重要的组成部分，它为可调速电机、电动汽车充电桩及通信系统等并网型电力设备提供直流电源；随着多电平拓扑技术的出现，其广泛应用于中压、大功率场合，诸如：不间断电源(UPS)、中压传动系统、直流输电等领域。多电平技术不仅能够适配高电压与高功率，降低交流侧谐波失真、器件dv/dt开关应力、系统共模电压和电磁干扰，同时能够通过电平数的增加减小无源元件体积以及减小开关损耗，从而提高系统的功率密度。多电平有源整流技术的广泛应用可以减小电流谐波和低功率因素造成的额外线路损耗，提高能源效率和供电质量，提升功率密度，实现节能减排。

最简单的有源整流设备是二极管整流输入后接Boost升压电路，该方案结构简单，技术成熟。但是整流二极管导通损耗高，高频开关模式下升压电路的二极管反向恢复损耗高等问题使得此类电路效率不高，通常只用于小功率场合。

无桥升压型整流器结构适用于单相系统，应用于三相系统时无桥升压型整流器三相直流输出需要相互隔离，因此直流电容体积大，功率密度低。

在文献Single inductor three-level bridgeless boost power factorcorrection rectifier with nature voltage clamp(IET Power Electron,2012.5(3):p.358-365)中提到Vienna三电平整流器，该类整流器通过对两个开关管的控制实现三电平的AC-DC整流，变换效率高，常用于高功率中高压场合；但是该方案中二极管均以高频导通和关断，二极管反向恢复损耗大。

为适用中压、大功率以及高功率密度的要求，文献Active-neutral-point-clamped(ANPC)multilevel converter technology(European Conference on PowerElectronics&Applications.IEEE,2006)中提出了有源中点钳位(ANPC)五电平拓扑，该整流器通过对4个高频动作与4个低频动作的开关控制实现多电平的AC-DC整流，相比三电平拓扑该类整流器更适用于中压大功率场合；但该方案具有一般多电平拓扑的开关和门极驱动数量多的劣势，若采用宽禁带器件进一步提高功率密度，则成本会大大增加；另外，该拓扑中8个开关承压不一致，若采用器件串联的方式，需要附加额外的缓冲均压电路。

多电平拓扑可通过采用类似Vienna三电平整流器拓扑构造方式，将主动开关器件更换为相应的二极管等被动开关器件以减少开关数量，实现功率单向的整流应用。在文献AReduced Switch Hybrid Multilevel Unidirectional Rectifier(IEEE Transactionson Power Electronics,2019.5(3):p.2070-2081)中提出了一种混合五电平整流器，该整流器具有四个主动开关、八个二极管以及两个飞跨电容，具有较高的效率、功率密度和经济性，但是该方案中，电容数量较多，部分二极管仍会以高频导通和关断，具有较大反向恢复损耗。