專利名稱：交流斬波的線性ac-dc變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種電力電子技術(shù)領(lǐng)域的AC-DC變換器，具體是一種用于交流變換的交流斬波的線性AC-DC變換器。
背景技術(shù)：
在電力電子技術(shù)領(lǐng)域，對(duì)于高壓交流電壓輸入-低壓交流或低壓直流電壓輸出的應(yīng)用場(chǎng)合，為了降低工頻變壓器尺寸，人們已經(jīng)將注意力轉(zhuǎn)移到電力電子變壓器上，試圖降低變壓器尺寸、提高轉(zhuǎn)換效率和節(jié)約用材。為了完成高壓交流電壓輸入-低壓交流輸出，可以采用交-交變換器，也可以采用交-直-交兩級(jí)變換器結(jié)構(gòu)，其中交-直變換器部分可以獨(dú)立成為產(chǎn)品，輸出較低的直流電壓，后級(jí)可再配置常規(guī)的直-交變換器，最終輸出低壓交流電壓。采用電力電子變壓器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電力變壓器，有一個(gè)功能是不能跨越的，即降壓功能，也就是需要將工頻高壓交流電壓轉(zhuǎn)換為高頻交流電壓，為此可以采用多種方法，其中一種就是采用交-交變換器的方法實(shí)現(xiàn)工頻高壓交流電壓到高頻低壓交流電壓的轉(zhuǎn)換。但是如果不加以正確處理，工頻高壓交流電源就會(huì)出現(xiàn)功率因數(shù)不為1的情況，大量的諧波電流會(huì)產(chǎn)生非常多種的危害，為此必須加以處置。交-交變換器主要有兩種類型直接交-交變換器和間接交-交變換器，直接交-交變換器包括矩陣變換器和周波變換器，間接交-交變換器包括交直交變換器。單相輸入的直接交-交變換器的電路簡(jiǎn)單，控制容易，成本較低，但是其功能受限，調(diào)壓與變頻能力差，低壓穿越能力差，輸入功率因數(shù)低。三相輸入的直接交-交變換器的功能齊全，性能高，但是其電路復(fù)雜，控制繁瑣，成本高，低壓穿越能力差。單相、三相輸入的間接交-交變換器包括兩級(jí)結(jié)構(gòu)前級(jí)AC-DC變換器和后級(jí)DC-AC變換器，其功能齊全，性能高，低壓穿越能力強(qiáng)，但是需要采用初級(jí)功率因數(shù)校正器來(lái)降低網(wǎng)側(cè)諧波電流。經(jīng)過(guò)對(duì)現(xiàn)有適合高壓交流電壓輸入-低壓交流或低壓直流電壓輸出應(yīng)用場(chǎng)合的交交變換器技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，“基于單相矩陣變換器的非接觸供電系統(tǒng)研究”(電力電子技術(shù)，2009年第11期43卷)和“基于矩陣變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的調(diào)壓器的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)”(上海師范大學(xué)學(xué)報(bào)，2009年第1期38卷)中描述的單相-單相交-交變換器的功能和性能較差，輸出電壓的變頻調(diào)壓能力和輸入阻抗呈現(xiàn)非線性，很難推廣到三相-單相變換器；中國(guó)專利號(hào)02139030. 4，專利名稱電力電子變壓器，描述的電力電子變壓器的拓?fù)浜凸ぷ髟矶技捌鋸?fù)雜，應(yīng)用難度非常高。綜上所述，直接交-交變換器存在控制復(fù)雜和輸入功率因數(shù)低的不足，間接交-交變換器需要輸入功率因數(shù)校正來(lái)降低網(wǎng)側(cè)諧波干擾，均不能適用于高壓交流輸入-電壓交流或低壓直流輸出的應(yīng)用場(chǎng)合。隨著實(shí)踐應(yīng)用的擴(kuò)大，設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能全面、高輸入功率因數(shù)的交-交變換器已成為本領(lǐng)域技術(shù)人員的當(dāng)務(wù)之急。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種交流斬波的線性AC-DC變換器，使其實(shí)現(xiàn)交流-直流變換，具有線性輸入阻抗，解決低壓穿越問(wèn)題，輸出直流電壓升降可調(diào)的功能，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制容易和成本低廉的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明包括高頻變換電路和阻抗變換電路， 其中高頻變換電路的輸出端與阻抗變換電路的輸入端相連。所述的高頻變換電路包括依次級(jí)聯(lián)的第一濾波電路、交流斬波電路、高頻變壓器以及第二濾波電路。所述的第一濾波電路和第二濾波電路均為L(zhǎng)C濾波器。所述的交流斬波電路由兩個(gè)雙向開(kāi)關(guān)組成，每個(gè)雙向開(kāi)關(guān)由兩個(gè)共射極逆導(dǎo)開(kāi)關(guān)組成，該雙向開(kāi)關(guān)的基極接收PWM脈沖控制信號(hào)。所述的交流斬波電路的另一種結(jié)構(gòu)為兩組共射逆導(dǎo)開(kāi)關(guān)組成的橋式結(jié)構(gòu)，該橋式結(jié)構(gòu)的兩個(gè)橋臂的中點(diǎn)分別與高頻變壓器的兩端相連，所述的逆導(dǎo)開(kāi)關(guān)的基極接收PWM脈沖控制信號(hào)。所述的阻抗變換電路包括整流橋和與之級(jí)聯(lián)的升壓電路，其中整流橋的兩個(gè)橋臂的中點(diǎn)分別連接高頻變換電路的兩個(gè)交流輸出端，升壓電路的輸出端輸出直流電壓。所述的整流橋?yàn)槎O管整流橋。所述的升壓電路包括第三電感、第五逆導(dǎo)開(kāi)關(guān)、二極管、電解電容和交流電容，其中電解電容和交流電容分別跨接于升壓電路的輸出端，第三電感的一端與整流橋的輸出正極相連，第三電感的另一端分別與第五逆導(dǎo)開(kāi)關(guān)的集電極和二極管的陽(yáng)極相連，第五逆導(dǎo)開(kāi)關(guān)的發(fā)射極與整流橋的的輸出負(fù)極相連，二極管的陰極為升壓電路的輸出端正極。本發(fā)明通過(guò)以下方式進(jìn)行工作高頻變換電路將工頻交流輸入電壓斬波成高頻交流電壓，采用錯(cuò)相180°的高頻等占空比的PWM脈沖控制信號(hào)分別驅(qū)動(dòng)第一、第二雙向開(kāi)關(guān)，通過(guò)高頻變壓器變壓和濾波電路濾波輸出工頻交流電壓，阻抗變換電路輸入該工頻交流電壓，輸出穩(wěn)定的直流電壓，同時(shí)產(chǎn)生單位輸入功率因數(shù)，反映到整個(gè)交流斬波的線性 AC-DC變換器的輸入端，呈現(xiàn)單位輸入功率因數(shù)特征。阻抗變換電路采用輸入電流與輸出電壓雙閉環(huán)控制、單周期控制等算法，產(chǎn)生合適的PWM脈沖控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)第三功率開(kāi)關(guān)，獲得阻性輸入阻抗和穩(wěn)定直流輸出電壓，形成交流斬波的線性AC-DC變換器，為后級(jí)DC-AC變換器供電，從而形成線性AC-AC變換器。本發(fā)明根據(jù)高頻交流調(diào)壓可以降低變壓器體積和阻抗變換能夠獲得線性阻抗的原理，制定了兩級(jí)AC-DC變換器，可以實(shí)現(xiàn)靈活的調(diào)壓能力和獲得線性輸入阻抗，克服直接交-交變換器電源與負(fù)載波動(dòng)相互干擾的不足，適合高壓輸入-低壓輸出變換器的各種應(yīng)用場(chǎng)合。具有設(shè)計(jì)構(gòu)思新穎、通用性強(qiáng)等特征，同時(shí)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)。


圖1為本發(fā)明的電路原理圖。圖2為實(shí)施例2的電路原理圖。圖3為實(shí)施例3的電路原理圖。
具體實(shí)施例方式下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過(guò)程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。實(shí)施例1如圖1所示，本實(shí)施例包括高頻變換電路1和阻抗變換電路2，其中高頻變換電路1的輸出端與阻抗變換電路2的輸入端相連。所述的高頻變換電路1包括依次級(jí)聯(lián)的第一濾波電路L1、C1、交流斬波電路BS1、 BS2、高頻變壓器Tl以及第二濾波電路L2、C2。所述的高頻變壓器Tl為高頻平面變壓器，原邊與副邊漏感低于1 μ H ；所述的電感Ll為鐵粉芯材料，高壓型，感值為5 μ H，電感L2為鐵粉芯材料，感值為 5μΗ；所述的電容Cl為CBB交流電容，高壓型，2. 0yF/10kV，電容C2為CBB交流電容 2. 0 μ F/600V ；所述的第一濾波電路和第二濾波電路均為L(zhǎng)C濾波器；所述的交流斬波電路由兩個(gè)雙向開(kāi)關(guān)BS1、BS2組成，每個(gè)雙向開(kāi)關(guān)由兩個(gè)共射極的逆導(dǎo)開(kāi)關(guān)Sl和S2以及S3和S4組成，該雙向開(kāi)關(guān)的基極接收PWM脈沖控制信號(hào)。所述的逆導(dǎo)開(kāi)關(guān)Sl S4為SiC功率MOSFET 15kV/5A/100°C，逆導(dǎo)開(kāi)關(guān)Sl與S2、 S3與S4PWM驅(qū)動(dòng)脈沖的占空比為50%或根據(jù)閉環(huán)控制結(jié)果可調(diào)，相位上交錯(cuò)角度180°，開(kāi)關(guān)頻率為5kHz ；所述的阻抗變換電路2包括整流橋Bl和與之級(jí)聯(lián)的升壓電路，其中整流橋Bl 的兩個(gè)橋臂的中點(diǎn)分別連接高頻變換電路1的兩個(gè)交流輸出端，升壓電路的輸出端DCP和 DCN輸出直流電壓；所述的整流橋Bl為二極管整流橋600V/20A/100°C ；所述的升壓電路包括第三電感L3、第五逆導(dǎo)開(kāi)關(guān)S5、二極管D1、電解電容El和交流電容C3，其中電解電容El和交流電容C3分別跨接于升壓電路的輸出端DCP和DCN 之間，第三電感L3的一端與整流橋Bl的第一橋臂的中點(diǎn)相連，第三電感L3的另一端分別與第五逆導(dǎo)開(kāi)關(guān)S5的集電極和二極管Dl的陽(yáng)極相連，第五逆導(dǎo)開(kāi)關(guān)S5的發(fā)射極與整流橋 Bl的第二橋臂的中點(diǎn)相連，二極管Dl的陰極為升壓電路的輸出端正極DCP。所述的逆導(dǎo)開(kāi)關(guān)S5為IGBT 600V/20A/100°C ；該逆導(dǎo)開(kāi)關(guān)S5的占空比受控于閉環(huán)控制結(jié)果，開(kāi)關(guān)頻率為35kHz。所述的二極管Dl為SiC反向快速恢復(fù)型600V/20A/100°C ；所述的電解電容El為鋁電解電容680yF/200V ；所述的交流電容C3為CBB交流電容2. 0 μ F/600V ；所述的電感L3為非晶體材料，采用平面結(jié)構(gòu)，感值為500μΗ;所述的高頻變壓器Tl為高壓型，降壓型，變比為30 1，初級(jí)圈數(shù)足夠高，采用多個(gè)單繞組串聯(lián)以提升耐壓能力。本實(shí)施例中，輸入交流電壓為6.0kV，輸出直流電壓為150V，額定輸出功率為 1.5kW。所有元器件均采用高精度。實(shí)施例2如圖2所示，本實(shí)施例涉及一種組合式線性AC-DC變換裝置，由三組相同結(jié)構(gòu)的交流斬波的線性AC-DC變換器組成，其中每個(gè)交流斬波的線性AC-DC變換器的輸入端分別與三相交流電的任意兩相相連，該三組交流斬波的線性AC-DC變換器的輸出端并聯(lián)且輸出直流電壓。本實(shí)施例能夠?qū)崿F(xiàn)更大的功率輸出，同時(shí)具有三相線性輸入阻抗特性。實(shí)施例3如圖3所示，本實(shí)施例中所述的交流斬波電路為兩組共射逆導(dǎo)開(kāi)關(guān)組成的橋式結(jié)構(gòu)，該橋式結(jié)構(gòu)的兩個(gè)橋臂的中點(diǎn)分別與高頻變壓器Tl的兩端相連。所述的逆導(dǎo)開(kāi)關(guān)S1-S4的基極接收P麗脈沖控制信號(hào)。本裝置采用一種結(jié)構(gòu)與控制都簡(jiǎn)化的單相交交變換器即一種單相-單相矩陣變換器，實(shí)現(xiàn)由工頻高壓交流-高頻低壓交流的變換，采用高頻平面變壓器完成交流降壓，再采用阻抗變換電路實(shí)現(xiàn)由工頻低壓交流-低壓直流輸出，獲得穩(wěn)定的直流電壓輸出，供后級(jí)直流-交流變換器適用，同時(shí)具有單位輸入功率因數(shù)，這種單位輸入功率因數(shù)又能通過(guò)單相交交變換器和高頻變壓器傳導(dǎo)到電網(wǎng)，從而獲得網(wǎng)側(cè)單位功率因數(shù)和無(wú)諧波電流污染，同時(shí)整個(gè)電路非常簡(jiǎn)單，檢測(cè)電量和被控電量少，控制器設(shè)計(jì)也并不負(fù)載，已經(jīng)獲得仿真分析和實(shí)驗(yàn)初步驗(yàn)證。而現(xiàn)有的幾種方案的共同不足是電路級(jí)聯(lián)復(fù)雜，控制復(fù)雜，可行性較差。缺乏阻抗變換器，不能實(shí)現(xiàn)任一負(fù)載下的網(wǎng)側(cè)單位功率因數(shù)，輸入與輸出相互干擾；難以構(gòu)成三相工頻高壓交流電壓-低壓直流電壓的變換器。
權(quán)利要求
1.一種交流斬波的線性AC-DC變換器，包括高頻變換電路和阻抗變換電路，其中高頻變換電路的輸出端與阻抗變換電路的輸入端相連，其特征在于所述的高頻變換電路包括依次級(jí)聯(lián)的第一濾波電路、交流斬波電路、高頻變壓器以及第二濾波電路；所述的阻抗變換電路包括整流橋和與之級(jí)聯(lián)的升壓電路，其中整流橋的兩個(gè)橋臂的中點(diǎn)分別連接高頻變換電路的兩個(gè)交流輸出端，升壓電路的輸出端輸出直流電壓。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的交流斬波的線性AC-DC變換器，其特征是，所述的第一濾波電路和第二濾波電路均為L(zhǎng)C濾波器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的交流斬波的線性AC-DC變換器，其特征是，所述的交流斬波電路由兩個(gè)雙向開(kāi)關(guān)組成，每個(gè)雙向開(kāi)關(guān)由兩個(gè)共射極逆導(dǎo)開(kāi)關(guān)組成，該雙向開(kāi)關(guān)的基極接收PWM脈沖控制信號(hào)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的交流斬波的線性AC-DC變換器，其特征是，所述的交流斬波電路為兩組共射逆導(dǎo)開(kāi)關(guān)組成的橋式結(jié)構(gòu)，該橋式結(jié)構(gòu)的兩個(gè)橋臂的中點(diǎn)分別與高頻變壓器的兩端相連，所述的逆導(dǎo)開(kāi)關(guān)的基極接收PWM脈沖控制信號(hào)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的交流斬波的線性AC-DC變換器，其特征是，所述的整流橋?yàn)槎O管整流橋。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的交流斬波的線性AC-DC變換器，其特征是，所述的升壓電路包括第三電感、第五逆導(dǎo)開(kāi)關(guān)、二極管、電解電容和交流電容，其中電解電容和交流電容分別跨接于升壓電路的輸出端，第三電感的一端與整流橋的第一橋臂的中點(diǎn)相連，第三電感的另一端分別與第五逆導(dǎo)開(kāi)關(guān)的集電極和二極管的陽(yáng)極相連，第五逆導(dǎo)開(kāi)關(guān)的發(fā)射極與第二橋臂的中點(diǎn)相連，二極管的陰極為升壓電路的輸出端正極。
7.一種組合式線性AC-DC變換裝置，其特征在于，由三組根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一所述的交流斬波的線性AC-DC變換器組成，其中每個(gè)交流斬波的線性AC-DC變換器的輸入端分別與三相交流電的任意兩相相連，該三組交流斬波的線性AC-DC變換器的輸出端并聯(lián)且輸出直流電壓。
全文摘要
一種電工電子技術(shù)領(lǐng)域的交流斬波的線性AC-DC變換器，高頻變換電路和阻抗變換電路，其中高頻變換電路的輸出端與阻抗變換電路的輸入端相連，所述的高頻變換電路包括依次級(jí)聯(lián)的第一濾波電路、交流斬波電路、高頻變壓器以及第二濾波電路；所述的阻抗變換電路包括整流橋和與之級(jí)聯(lián)的升壓電路，整流橋的兩個(gè)橋臂的中點(diǎn)分別連接高頻變換電路的兩個(gè)交流輸出端，升壓電路的輸出端輸出直流電壓。本發(fā)明輸出穩(wěn)定的直流電壓，同時(shí)產(chǎn)生單位輸入功率因數(shù)，實(shí)現(xiàn)靈活的調(diào)壓能力和獲得線性輸入阻抗，克服電源與負(fù)載波動(dòng)相互干擾的不足，具有設(shè)計(jì)構(gòu)思新穎、通用性強(qiáng)等特征，同時(shí)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H02M1/42GK102163932SQ20111006529
公開(kāi)日2011年8月24日 申請(qǐng)日期2011年3月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月18日
發(fā)明者楊喜軍, 江劍鋒, 王虎, 蔣婷 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)