技术领域

本发明涉及一种单相可控整流器的控制系统， 特别是涉及一种适合较高功率等级的单相 可控整流器的控制系统。 背景技术

整流器又称 AC-DC变换器， 是完成交流 -直流的变换装置。而单相可控整流器是一种� �用 功率开关 IGBT或 IGCT或 IECT的 2H桥结构整流器， 属于升压型 AC-DC变换器， 鉴于为正弦 波输入电流、 四象限电力电子变换器， 潜在应用领域很多。

单相可控整流器的电路拓扑为成熟电路， 控制算法也具有很多种类， 但是大功率单相可 控整流器及其控制算法仍然会不断地出现， 对此研究不会停止， 现有的单相可控整流器的控 制算法都要求检测交流测的电网电压来参与运 算， 计算方法比较复杂， 也增加了电路的复杂 程度， 尤其对于电力电子变压器的高压端单相可控整 流器而言更是如此， 因此， 如何提出一 种适用较高功率等级且结构简单的单相可控整 流器的控制系统， 实为目前急待解决的问题。 发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点， 本发明的目的在于提供一种适用较高功率等级 的单相可 控整流器的控制系统， 利于简化电路设计、 降低成本。

为实现上述目的及其他相关目的， 本发明提供一种单相可控整流器的控制系统， 其中， 所述单相可控整流器包括具有火线端与零线端 的单相交流源、 第一功率电路、 第二功率电路 以及测压电路；

其中， 所述第一功率电路包括： 第一电流互感器， 其一端连接所述火线端， 且用以测量 并输出第一电流值； 第一电感， 其一端连接所述第一电流互感器的另一端； 第一单相整流桥， 具有 4个逆导型开关， 每 2个构成一个桥臂， 而分别形成第一桥臂与第二桥臂， 且所述第一 桥臂与第二桥臂的公共连接端分别构成第一正 极输出端与第一负极输出端， 并所述第一桥臂 的中点与第一电感的另一端连接， 所述第二桥臂的中点与所述零线端连接； 以及第一电容， 跨接在所述第一正极输出端与第一负极输出端 ；

且， 所述第二功率电路包括： 第二电流互感器， 其一端连接所述火线端， 且用以测量并 输出第二电流值； 第二电感， 其一端连接所述第二电流互感器的另一端； 第二单相整流桥， 具有 4个逆导型开关， 每 2个构成一个桥臂， 而分别形成第三桥臂与第四桥臂， 且所述第三 桥臂与第四桥臂的公共连接端分别构成第二正 极输出端与第二负极输出端， 并所述第三桥臂 的中点与第二电感的另一端连接， 所述第四桥臂的中点与所述零线端连接， 且所述第一正极 输出端与所述第二正极输出端连接构成正极输 出端， 所述第一负极输出端与所述第二负极输 出端连接构成负极输出端； 以及第二电容， 跨接在所述第二正极输出端与第二负极输出端 ， 并与所述第一电容并联连接；

所述测压电路与所述第一电容以及第二电容并 联连接， 且包括： 电阻组， 其一端连接所 述正极输出端， 且包含一个第一电阻或两个及以上个串接的第 一电阻； 以及第二电阻， 其一 端连接所述电阻组的另一端， 其另一端连接所述负极输出端， 并在所述第二电阻与所述电阻 组之间形成一个输出直流电压的分接点；

其特征在于， 所述单相可控整流器的控制系统包括： 电压闭环模块、 第一电流闭环模块 以及第二电流闭环模块；

其中， 所述电压闭环模块包括： 参考电压源， 用以产生参考电压； 减法单元， 分别接收 所述参考电压源所产生的参考电压以及所述分 接点所输出的直流电压， 且用以将所述参考电 压减去所述直流电压， 以产生并输出一个电压偏差值； 以及误差滤波放大单元， 接收所述减 法单元所输出的电压偏差值， 且用以对所述电压偏差值执行滤波放大处理；

且， 所述第一电流闭环模块包括： 第一锯齿波发生单元， 用以产生第一锯齿波信号； 第 一同步信号发生单元， 用以产生与第一锯齿波信号属于同相位的第一 同步信号； 第一乘法单 元， 分别接收所述误差滤波放大单元所输出的经滤 波放大处理的电压偏差值以及所述第一锯 齿波发生单元所产生的第一锯齿波信号， 且用以将所述经滤波放大处理的电压偏差值与 所述 第一锯齿波信号相乘， 而产生并输出第一调幅载波； 第一比较单元， 分别接收所述第一电流 互感器所输出的第一电流值以及所述第一乘法 单元所输出的第一调幅载波， 且用以比较所述 第一电流值与所述第一调幅载波， 以在第一调幅载波高于第一电流值时产生高电 平， 在第一 调幅载波低于第一电流值时产生低电平， 进而产生并输出第一脉冲信号； 以及第一控制单元， 用以接收所述第一比较单元所输出的第一脉冲 信号以及所述第一同步信号发生单元所产生的 第一同步信号， 且用以依据第一脉冲信号以及第一同步信号而 产生供驱动所述第一单相整流 桥的 4个逆导型开关的 PWM驱动信号；

而， 所述第二电流闭环模块包括： 第二锯齿波发生单元， 用以产生与第一锯齿波信号幅 值相同且相位错开 180 ° 的第二锯齿波信号； 第二同步信号发生单元， 用以产生第一同步信 号幅值相同且相位错开 180 ° 的第二同步信号； 第二乘法单元， 分别接收所述误差滤波放大 单元所输出的经滤波放大处理的电压偏差值以 及所述第二锯齿波发生单元所产生的第二锯齿 波信号， 且用以将所述经滤波放大处理的电压偏差值与 所述第二锯齿波信号相乘， 而产生并 输出第二调幅载波； 第二比较单元， 分别接收所述第二电流互感器所输出的第二电 流值以及 所述第二乘法单元所输出的第二调幅载波，且 用以比较所述第二电流值与所述第二调幅载波 ， 以在第二调幅载波高于第二电流值时产生高电 平， 在第二调幅载波低于第二电流值时产生低 电平， 进而产生并输出第二脉冲信号； 以及第二控制单元， 用以接收所述第二比较单元所输 出的第二脉冲信号以及所述第二同步信号发生 单元所产生的第二同步信号， 且用以依据第二 脉冲信号以及第二同步信号而产生供驱动所述 第二单相整流桥的 4个逆导型开关的 PWM驱动 信号。

优选地， 该逆导型开关为含反向并联二极管的 IGBT或 IGCT或 IECT。 该第一控制单元为 具有第一置位端、第一复位端以及互补的第一 输出端与第二输出端的 RS触发器， 所述第一置 位端用以接收所述第一比较单元所输出的第一 脉冲信号， 而所述第一复位端用以接收所述第 一同步信号发生单元所产生的第一同步信号， 且所述第一输出端用以输出供驱动所述第一单 相整流桥的 4个逆导型开关中其中 2个可形成通路的逆导型开关的第一 P丽驱动信号， 所述 第二输出端用以输出供驱动所述第一单相整流 桥的 4个逆导型开关中的剩下 2个可形成通路 的逆导型开关的第二 PWM驱动信号， 且该第一 PWM驱动信号与该第二 PWM驱动信号为互补信 号。 该第二控制单元为具有第二置位端、 第二复位端以及互补的第三输出端与第四输出 端的 RS触发器， 所述第二置位端用以接收所述第二比较单元所 输出的第二脉冲信号， 而所述第二 复位端用以接收所述第二同步信号发生单元所 产生的第二同步信号， 且所述第三输出端用以 输出供驱动所述第二单相整流桥的 4个逆导型开关中其中 2个可形成通路的逆导型开关的第 三 P丽驱动信号， 所述第四输出端用以输出供驱动所述第二单相 整流桥的 4个逆导型开关中 的剩下 2个可形成通路的逆导型开关的第四 P丽驱动信号， 且该第三 P丽驱动信号与该第四 PWM驱动信号为互补信号。

如上所述， 本发明的单相可控整流器的控制系统主要是建 立在由交错结构的第一功率电 路与第二功率电路、 以及与第一及第二功率电路的输出端并联的测 压电路构成的单相可控整 流器电路中， 采用上述单相可控整流器电路中测量得到的直 流电压， 产生随直流电压波动即 负载功率波动的调幅载波， 再将由上述电路中测量得到的交流侧电流与调 幅载波相比较， 产 生可以通过 RS触发器形成原始驱动第一及第二功率电路的� ��冲序列， 此外， 上述两级交错的 功率电路各自的控制部分采用同一电压 （同一直流电压与同一参考电压） 闭环的输出， 各自 的电流闭环控制结构简单， 运算速度快， 因而两级交错的整流器功率电路具有优良的均 流特 性， 在功率电路参数不一致的情况下， 可以获得满意的均流效果， 从而支持更高的输出功率 等级， 同时由于无需检测网侧电压， 有利于简化电路设计、 降低成本和提高可靠性。 附图说明

图 1 显示为本发明的单相可控整流器的控制系统应 用在单相可控整流器中的方块示意 图。 元件标号说明

11 单相交流源

13 第一功率电路

131 第一电流互感器

133 第一电感

135 第一单相整流桥

137 第一电容

15 第二功率电路

151 第二电流互感器

153 第二电感

155 第二单相整流桥

157 第二电容

17 测压电路

171 电阻组

1711 第一电阻

173 第二电阻

21 电压闭环模块

211 参考电压源

213 减法单元

215 误差滤波放大单元

23 第一电流闭环模块

231 第一锯齿波发生单元

233 第一同步信号发生单元

235 第一乘法单元 237 第一比较单元

239 第一控制单元

2391 第一输出端

2393 第二输出端

25 第二电流闭环模块

251 第二锯齿波发生单元

253 第二同步信号发生单元

255 第二乘法单元

257 第二比较单元

259 第二控制单元

2591 第三输出端

2593 第四输出端

a 火线端

b 零线端

cl 第一正极输出端

c2 第一负极输出端

c3 第二正极输出端

c4 第二负极输出端

dl 正极输出端

d2 负极输出端

e 分接点

ii 第一电流值

i ₂ 第二电流值

Sl l、 S12、 S21、 S22、 S31、 S32、 S41、 S42 逆导型开关

SI 第一桥臂

Sla 第一桥臂的中点

S2 第二桥臂

S2a 第二桥臂的中点

S3 第三桥臂

S3a 第三桥臂的中点 S4 第四桥臂

S4a 第四桥臂的中点 具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方 式， 本领域技术人员可由本说明书所揭露 的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。 本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加 以实施或应用， 本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与 应用， 在没有背离本发明的精 神下进行各种修饰或改变。

请参阅图 1。 需要说明的是， 本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本 发明的基本 构想， 遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按 照实际实施时的组件数目、 形状及尺寸 绘制， 其实际实施时各组件的型态、 数量及比例可为一种随意的改变， 且其组件布局型态也 可能更为复杂。

如图所示， 该单相可控整流器包括具有火线端 a与零线端 b的单相交流源 11、 第一功率 电路 13、 第二功率电路 15以及测压电路 17。

其中， 该第一功率电路 13是由第一电流互感器 131、第一电感 133、第一单相整流桥 135 以及第一电容 137所构成。 该第一电流互感器 131的一端连接该火线端 a， 且用以测量并输 出第一电流值 i _{1 ;} 该第一电感 133的一端连接该第一电流互感器 131的另一端； 该第一单相 整流桥 135具有 4个逆导型开关 Sl l、 S12、 S21与 S22， 每 2个逆导型开关构成一个桥臂， 而分别形成第一桥臂 S1与第二桥臂 S2， 且该第一桥臂 S1与第二桥臂 S2的公共连接端分别 构成第一正极输出端 cl与第一负极输出端 c2，并该第一桥臂 S1的中点 Sla与该第一电感 133 的另一端连接， 该第二桥臂 S2的中点 S2a与该零线端 b连接； 该第一电容 137跨接在该第一 正极输出端 cl与第一负极输出端 c2。 在本实施例中， 该逆导型开关 Sl l、 S12、 S21与 S22 为含反向并联二极管的 IGBT或 IGCT或 IECT。

该第二功率电路 15是由第二电流互感器 151、 第二电感 153、 第二单相整流桥 155以及 第二电容 157所构成。 该第二电流互感器 151的一端连接该火线端 a， 且用以测量并输出第 二电流值 i _{2 ;} 该第二电感 153的一端连接该第二电流互感器 151的另一端； 该第二单相整流 桥 155具有 4个逆导型开关 S31、 S32、 S41与 S42， 每 2个构成一个桥臂， 而分别形成第三 桥臂 S3与第四桥臂 S4， 且该第三桥臂 S3与第四桥臂 S4的公共连接端分别构成第二正极输 出端 c3与第二负极输出端 c4， 并该第三桥臂 S3的中点 S3a与第二电感 153的另一端连接， 该第四桥臂 S4的中点 S4a与该零线端 b连接， 且该第一正极输出端 cl与该第二正极输出端 c3连接构成正极输出端 dl，该第一负极输出端 c2与该第二负极输出端 c4连接构成负极输出 端 d2 _; 以及该第二电容 157跨接在该第二正极输出端 c3与第二负极输出端 c4， 并与该第一 电容 137并联连接。 在本实施例中， 该逆导型开关 S31、 S32、 S41与 S42为含反向并联二极 管的 IGBT或 IGCT或 IECT。

该测压电路 17与该第一电容 137以及第二电容 157并联连接， 且该测压电路 17包括电 阻组 171与第二电阻 173。 该电阻组 171的一端连接该正极输出端 dl， 且包含一个第一电阻 或两个及以上个串接的第一电阻， 在本实施例中， 是以两个第一电阻 1711串接组成该电阻组 171为例做说明； 该第二电阻 173的一端连接该电阻组 171的另一端， 其另一端连接该负极 输出端 d2， 并在该第二电阻 173与该电阻组 171之间形成一个输出直流电压的分接点 e。

本发明的单相可控整流器的控制系统包括电压 闭环模块 21、 第一电流闭环模块 23 以及 第二电流闭环模块 25， 以下即结合上述单相可控整流器的硬件电路对 本发明的单相可控整流 器的控制系统的各元件进行详细说明。

该电压闭环模块 21是由参考电压源 211、减法单元 213以及误差滤波放大单元 215构成。 该参考电压源 211是用以产生参考电压。

该减法单元 213分别接收该参考电压源 211所产生的参考电压以及该分接点 e所输出的 直流电压， 且用以将该参考电压减去该直流电压， 以产生并输出一个电压偏差值。

该误差滤波放大单元 215接收该减法单元 213所输出的电压偏差值， 且用以对该电压偏 差值执行滤波放大处理。

该第一电流闭环模块 23是由第一锯齿波发生单元 231、 第一同步信号发生单元 233、 第 一乘法单元 235、 第一比较单元 237以及第一控制单元 239构成。

该第一锯齿波发生单元 231用以产生第一锯齿波信号。

该第一同步信号发生单元 233 用以产生与该第一锯齿波信号属于同相位的第 一同步信 号。

该第一乘法单元 235分别接收该误差滤波放大单元 215所输出的经滤波放大处理的电压 偏差值以及该第一锯齿波发生单元 231所产生的第一锯齿波信号， 且用以将该经滤波放大处 理的电压偏差值与该第一锯齿波信号相乘， 而产生并输出第一调幅载波。

该第一比较单元 237分别接收该第一电流互感器 131所输出的第一电流值 L以及该第一 乘法单元 235所输出的第一调幅载波， 且用以比较该第一电流值 L与该第一调幅载波， 以在 该第一调幅载波高于该第一电流值 ^时产生高电平， 而在该第一调幅载波低于该第一电流值 时产生低电平， 进而产生并输出第一脉冲信号。 该第一控制单元 239用以接收该第一比较单元 237所输出的第一脉冲信号以及该第一同 步信号发生单元 233所产生的第一同步信号， 且用以依据第一脉冲信号以及第一同步信号而 产生供驱动该第一单相整流桥 135的 4个逆导型开关 Sl l、 S12、 S21与 S22的 PWM驱动信号。 在本实施例中， 该第一控制单元 239为具有第一置位端、 第一复位端以及互补的第一输出端 2391与第二输出端 2393的 RS触发器， 该第一置位端用以接收该第一比较单元 237所输出的 第一脉冲信号， 而该第一复位端用以接收该第一同步信号发生 单元 233所产生的第一同步信 号， 该第一输出端 2391用以输出供驱动该第一单相整流桥 135的 4个逆导型开关中的其中 2 个可形成通路的逆导型开关（在本实施例中， 如图 1所示， S21与 S12， 但不以此为限， 在其 他实施例中， 亦可为 S11与 S22 ) 的第一 PWM驱动信号， 该第二输出端 2393用以输出供驱动 该第一单相整流桥 135的 4个逆导型开关中的剩下 2个可形成通路的逆导型开关 （在本实施 例中， 如图 1所示， S11与 S22 ) 的第二 PWM驱动信号， 且该第一 PWM驱动信号与该第二 PWM 驱动信号为互补信号， 当该第一 P丽驱动信号为导通信号时， 该第二 P丽驱动信号为截止信 号。

该第二电流闭环模块 25是由第二锯齿波发生单元 251、 第二同步信号发生单元 253、 第 二乘法单元 255、 第二比较单元 257以及第二控制单元 259构成。

该第二锯齿波发生单元 251用以产生与该第一锯齿波信号幅值相同且相 位错开 180 ° 的 第二锯齿波信号。

该第二同步信号发生单元 253用以产生该第一同步信号幅值相同且相位错 开 180 ° 的第 二同步信号。

该第二乘法单元 255分别接收该误差滤波放大单元 215所输出的经滤波放大处理的电压 偏差值以及该第二锯齿波发生单元 251所产生的第二锯齿波信号， 且用以将该经滤波放大处 理的电压偏差值与该第二锯齿波信号相乘， 而产生并输出第二调幅载波。

该第二比较单元 257分别接收该第二电流互感器 151所输出的第二电流值 i ₂ 以及该第二 乘法单元 255所输出的第二调幅载波， 且用以比较该第二电流值 i ₂ 与该第二调幅载波， 以在 该第二调幅载波高于该第二电流值 1 ₂ 时产生高电平， 而在该第二调幅载波低于该第二电流值 i ₂ 时产生低电平， 进而产生并输出第二脉冲信号。

该第二控制单元 259用以接收该第二比较单元 257所输出的第二脉冲信号以及该第二同 步信号发生单元 253所产生的第二同步信号， 且用以依据第二脉冲信号以及第二同步信号而 产生供驱动该第二单相整流桥 155的 4个逆导型开关 S31、 S32、 S41与 S42的 PWM驱动信号。 在本实施例中， 该第二控制单元 259为具有第二置位端、 第二复位端以及互补的第三输出端 2591与第四输出端 2593的 RS触发器， 该第二置位端用以接收该第二比较单元 257所输出的 第二脉冲信号， 而该第二复位端用以接收该第二同步信号发生 单元 253所产生的第二同步信 号， 该第三输出端 2591用以输出供驱动该第二单相整流桥 155的 4个逆导型开关中的其中 2 个可形成通路的逆导型开关 （在本实施例中， 如图 1所示， 分别为 S41与 S32， 但不以此为 限， 在其他实施例中， 亦可为 S31与 S42 ) 的第三 P丽驱动信号， 该第四输出端 2593用以输 出供驱动该第二单相整流桥 155的 4个逆导型开关中的剩下 2个可形成通路的逆导型开关 (在 本实施例中， 如图 1所示， S31与 S42 ) 的第四 PWM驱动信号， 且该第三 PWM驱动信号与该第 四 PWM驱动信号为互补信号， 当该第三 PWM驱动信号为导通信号时， 该第四 PWM驱动信号为 截止信号。

上述第一电流闭环模块 23和第二电流闭环模块 25中的第一锯齿波信号与第二锯齿波信 号错开 180°， 第一同步信号与第二同步信号错开 180°， 使得分别驱动第一单相整流桥 135的 PWM驱动信号与第二单相整流桥 155的 PWM驱动信号对应地错开 180 ° ， 进而形成交错驱动； 而且第一电流闭环模块 23与第二电流闭环模块 25共用同一电压闭环模块 21的输出（经该误 差滤波放大单元 215滤波放大处理的电压偏差值）， 因而可以获得优良的均流性能， 提高了功 率等级。

综上所述， 本发明的单相可控整流器的控制系统主要是建 立在由交错结构的第一功率电 路与第二功率电路、 以及与第一及第二功率电路的输出端并联的测 压电路构成的单相可控整 流器电路中， 其作用是通过高频 PWM调制原理， 来实现两级交错单相 AC-DC变换， 本发明的 单相可控整流器的控制系统通过采集上述单相 可控整流器电路中测量得到的交流侧电流和所 输出的直流电压和一系列的数值计算和逻辑处 理， 分别产生两组四路驱动脉冲， 而对应驱动 第一功率电路与第二功率电路， 不仅实现了单相可控整流器的全部功能， 而且提高了响应速 度， 无需交流侧电压的检测也降低了尺寸和成本， 此外， 由于本发明的单相可控整流器的控 制系统中的第一与二锯齿波信号、 第一与第二同步信号的相位均错开 180 ° ， 使得最终产生 的第一单相整流桥的 PWM驱动信号与第二单相整流桥的 PWM驱动信号在相位上交错 180°， 因 而形成交错驱动， 且第一与第二电流闭环模块共用同一电压闭环 模块的输出， 因而可以获得 优良的均流性能， 提高了功率等级。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功 效， 而非用于限制本发明。 任何熟悉此技 术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下 ， 对上述实施例进行修饰或改变。 因此， 举凡 所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发 明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等 效修饰或改变， 仍应由本发明的权利要求所涵盖。