CN100459393C - 双向交流斩波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双向交流斩波器，包括第一buck(boost)电路和第二buck(boost)电路，第一buck(boost)电路中，第一开关的阴极和第二开关的阳极相连，该连接点连接到第一滤波电感的一端；第二buck(boost)电路中，第三开关的阳极和第四开关的阴极相连，该连接点同时连接到第二滤波电感的一端；第一滤波电感的另一端与第二滤波电感的另一端同时连接至第二滤波电容的一端；第一开关的阳极和第三开关的阴极与第一滤波电容的一端连接；第二开关的阴极、第四开关的阳极、第一滤波电容的另一端、第二滤波电容的另一端相互连接。本发明无桥臂直通可能，无需控制死区，电感电流自然续流，从根本上解决了电流换向问题。

Description

双向交流斩波器

一、技术领域

本发明涉及一种交-交变换器，尤其涉及一种双向交流斩波器。

二、背景技术

交交变换作为电力电子技术领域的一个重要组成部分，近年来得到了大量的研究。传统AC/AC直接变换器研究热点主要在矩阵变换器和高频交流环节AC/AC变换器这两大类。矩阵变换器具有输入电流波形好、输入功率因数高、谐波污染小、效率高等优点，但其电路结构很复杂，控制困难，限制了其在实际当中的应用。高频交流环节AC/AC变化器同样存在电路和控制复杂的问题。近几年来，基于DC/DC简单拓扑的AC/AC直接变换得到了重视和研究，其基本思路是实现功率开关的双向化，使得基本DC/DC简单拓扑可以实现AC/AC变化。这类变换器使用的双向开关是通过实际中单向阻断的MOS型器件和二极管组合得到，有多种可选方案，这使得这类变换器中功率器件的数量较多，这也增加了电路的复杂性。在开关换流时必须遵循严格的换流顺序，控制复杂，开关管换流时存在较大电压尖峰。开关管换流问题是AC/AC变换器实现的难点。

三、发明内容

1、技术问题：本发明要解决的技术问题是提供一种解决现有的AC/AC变换器中的换流问题难题的双向交流斩波器。

2、技术方案：本发明双向交流斩波器包括第一buck(boost)电路和第二buck(boost)电路，第一buck(boost)电路中，第一开关的阴极和第二开关的阳极相连，该连接点连接到第一滤波电感的一端；第二buck(boost)电路中，第三开关的阳极和第四开关的阴极相连，该连接点同时连接到第二滤波电感的一端；第一滤波电感的另一端与第二滤波电感的另一端同时连接至第二滤波电容的一端；第一开关的阳极和第三开关的阴极与第一滤波电容的一端连接；第二开关的阴极、第四开关的阳极、第一滤波电容的另一端、第二滤波电容的另一端相互连接。

本发明中使用的四个开关均为组合器件，均由一个功率开关管和一个功率二极管串联得到，有两种可选的串联方式：第一种串联方式将功率开关管的漏极和功率二极管的阴极连接，将功率开关管的源极作为整个组合器件(开关)的阴极，功率二极管的阳极作为整个组合器件(开关)的阳极；第二种串联方式将功率开关管的源极和功率二极管的阳极连接，将功率开关管的漏极作为整个组合器件(开关)的阳极，功率二极管的阴极作为整个组合器件(开关)的阴极。

本发明的电路从左侧A、G端向右侧B、G端看过去，是一个双buck电路，即将本发明的A、G端作为输入段，外加一个交流电压Ui，将B、G端作为输出，外接负载，记输出电压为uo，则本发明的电路工作于降压变换状态，输出电压uo是一个小于Ui的交流电压；本发明的电路从右侧B、G端向左侧A、G端看，是一个双boost电路，即将本发明的B、G端作为输入段，外加一个交流电压Ui，将A、G端作为输出，外接负载，记输出电压为uo，则本发明的电路工作于升压变换状态，输出电压uo是一个大于Ui的交流电压。本发明的电路可实现电能的双向流动。本发明的电路与一般的双buck/boost电路有所不同，可称为双buck(boost)电路。

3、有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：(1)整个电路无桥臂直通可能，无需控制死区，电感电流自然续流，从根本上解决了电流换向问题；(2)可实现降压或者升压AC/AC变换，是一种双向交流斩波器；(3)在AC/AC电路中属于使用器件很少的，电路开销小；(4)电路工作于半周期模式，控制实现简单，也杜绝了环流产生的可能；(5)可进行输出电压平均值或有效值闭环调节。

四、附图说明

图1是本发明的双向交流斩波器电路结构示意图，图中的标号名称：1：buck(boost)电路1；2：buck(boost)电路2；

图2是本发明的双向交流斩波器中使用的开关的构造示意图，(a)为一种构造方式，(b)为另一种构造方式，图1和图3～5中的开关S1～S4均选用第一种构造方式来表述，将图1和图3～5中的开关S1～S4均换为第二种构造方式，电路完全等效；

图3是本发明的双向交流斩波器各开关模态示意图；

图4是本发明的双向交流斩波器的主要波形示意图；

图5是本发明的双向交流斩波器采用的控制框图。

上述附图中的主要符号名称：C1～C2——滤波电容；d1～d4——功率开关管S1～S4的驱动波形；ir——电压环输出即电流基准；iL₁——滤波电感L1电流波形；iL₂——滤波电感L2电流波形；L1～L2——输出滤波电感；R——S1～S4——功率开关管；Uo——逆变器输出电压。

四、具体实施方式

如图1所示，本实施例的双buck(boost)双向交流斩波器包括第一buck(boost)电路1和第二buck(boost)电路2，第一buck(boost)电路1中，第一开关S1的阴极和第二开关S2的阳极相连，该连接点连接到第一滤波电感L1的一端；第二buck(boost)电路2中，第三开关S3的阳极和第四开关S4的阴极相连，该连接点同时连接到第二滤波电感L2的一端；第一滤波电感L1的另一端与第二滤波电感L2的另一端同时连接至第二滤波电容C2的一端B；第一开关S1的阳极和第三开关S3的阴极与第一滤波电容C1的一端A连接；第二开关S2的阴极、第四开关S4的阳极、第一滤波电容的另一端G、第二滤波电容的另一端G相互连接。

如图2所示，开关S1、S2、S3、S4均为组合器件，均由一个功率开关管和一个功率二极管串联组成。本实施例的各开关采用图2(a)的串联方式，即将功率开关管的漏极和功率二极管的阴极连接，将功率开关管的源极作为整个组合器件的阴极，功率二极管的阳极作为整个组合器件的阳极；也可以采用第二种串联方式，即将功率开关管的源极和功率二极管的阳极连接，将功率开关管的漏极作为整个组合器件的阳极，功率二极管的阴极作为整个组合器件的阴极。

下面以图1所示为主电路结构，结合图3来叙述本实施例的双buck(boost)双向交流斩波器的具体工作原理和工作模态，对应的电路关键波形见附图4。

在输出电流大于零的正半周，第一buck(boost)电路1工作，第二buck(boost)电路2不工作，此时电路包括两个工作模态：

(1)工作模态I：

如图3(a)所示，功率开关管S1开通，S2关断，滤波电感L₁的电流iL₁线性上升，变换器输出电平(滤波前)为Ui。

(2)工作模态II：

如图3(b)所示，功率开关管S2开通，S1关断，滤波电感电流iL₁线性下降，变换器输出电平(滤波前)为0。

在输出电流小于零的负半周，第二buck(boost)电路2工作，第一buck(boost)电路1不工作，此时电路包括两个工作模态：

(3)工作模态III：

如图3(c)所示，功率开关管S3开通，S4关断，滤波电感L₂的电流-iL₂线性上升，变换器输出电平(滤波前)为-Ui。

(4)工作模态IV：

如图3(d)所示，功率开关管S3关断，S4开通，滤波电感电流-iL₂线性下降，变换器输出电平(滤波前)为0。

以上四个工作模态可用表1来表示。在输出电流过零处，即两个buck电路工作切换的位置，由于存在电感电流来回过零切换的区域，特别是负载电流很小时例如空载时，存在两个buck电路交替调理工作的区段，以维持输出电压波形。

表1  双buck(boost)双向交流斩波器功率管开关组合状态与桥臂输出电压状态关系

iL1	iL2	S1	S2	S3	Q4	输出电平	对应附图3
								＞0	＝0	1	0	0	0	Ui	(a)
＞0	＝0	0	1	0	0	0	(b)
								＝0	＜0	0	0	1	1	-Ui	(c)
＝0	＜0	1	1	0	0	0	(d)

为实现以上工作原理，双降压式交流斩波器采用如图5所示的控制方案：采样输出电压进行整流滤波得到输出电压平均值U_oav，与电压基准U_r经PI运算得到电压环输出i_r，电压环输出ir与三角波交接后得到PWM调制信号；采样电感电流进行逻辑判断，使得电感电流大于零时S2开通，S4关断，电感电流小于零时S2关断，S4开通，同时对PWM调制信号进行逻辑分相，使得电感电流大于零时S1调理工作，S3关断，电感电流小于零时，S1关断，S3调理工作。以上控制策略很好的实现了电路的半周期工作模式和对输出电压的平均值闭环调节。

Claims (2)

1、一种双向交流斩波器，其特征在于，包括第一buck或boost电路(1)和第二buck或boost电路(2)，第一buck或boost电路(1)中，第一开关(S1)的阴极和第二开关(S2)的阳极相连，该连接点连接到第一滤波电感(L1)的一端；第二buck或boost电路(2)中，第三开关(S3)的阳极和第四开关(S4)的阴极相连，该连接点同时连接到第二滤波电感(L2)的一端；第一滤波电感(L1)的另一端与第二滤波电感(L2)的另一端同时连接至第二滤波电容(C2)的一端(B)；第一开关(S1)的阳极和第三开关(S3)的阴极与第一滤波电容(C1)的一端(A)连接；第二开关(S2)的阴极、第四开关(S4)的阳极、第一滤波电容的另一端(G)、第二滤波电容的另一端(G)相互连接。

2、如权利要求1所述的双向交流斩波器，其特征在于，开关(S1、S2、S3、S4)均为组合器件，均由一个功率开关管和一个功率二极管串联组成。

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