CN101471610A

CN101471610A - 单开关交流斩波调压装置

Info

Publication number: CN101471610A
Application number: CNA2007103013588A
Authority: CN
Inventors: 冬雷
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-12-27
Filing date: 2007-12-27
Publication date: 2009-07-01

Abstract

本发明是一种单开关交流斩波调压装置，它由控制器，双向电力电子开关，Z型高频滤波器，高频输出滤波器构成，Z型高频滤波器由两个高频电感和两个高频电容按Z形交叉连接组成，它一端与双向电力电子开关连接，另一端与输入电源连接。双向开关是由单个全控电力电子器件和功率二极管组成的双向开关，串联在交流电源与Z型滤波器之间。高频输出滤波器连接在Z型滤波器与负载之间。斩波调压装置还包括加在输出端的、用于检测输出电压、电流的传感器，控制器通过检测输出电压信号和电流信号进行反馈控制。由于采用交流斩波控制，与传统晶闸管移相控制系统相比本发明的谐波含量较低。使交流调压系统既实现了正弦波输出，又克服了常用交流斩波电路全控型电力电子器件多、成本高、控制复杂、存在直通短路风险等缺点。

Description

单开关交流斩波调压装置

技术领域

本发明涉及一种单开关交流斩波调压装置，特别涉及一种采用全控型电力电子开关的交流调压装置。

背景技术

交流调压技术，广泛应用于交流电压调节、交流稳压控制、照明系统的照明控制与节能保护，交流温控系统等。

目前，对交流电压的调节，主要有三种形式：可控硅移相控制、变压器或电感的电磁调节、以及交流斩波控制。

可控硅移相控制(见图1，其中1为双向可控硅，2为交流电源，3为负载，4为移相触发控制器)，可控硅具有半可控特性，通过对其开通角的控制可以调节控制装置的输出电压。由于可控硅的移相控制会使输出电压畸变，对负载有较大的影响，另外还会使得输入电流严重畸变，对电网污染较大。采用移相控制时，如果输出电压较低，则功率因数会非常低。因此，这种控制方式无论对用户而言，还是对电网而言都不是最佳选择。

利用变压器或者电感的电磁调节技术(见图2，其中2为交流电源，3为负载，5为机械或双向电子开关，6为自耦变压器)，输出电压为正弦波，电磁兼容性比较好。但是该系统的自身功耗比较大，系统效率低，调节困难，响应速度慢，控制精度低。由于所采用的自耦多抽头变压器工作在工频状态，利用可控硅或者接触器进行转换和调节，所以系统的体积重量较大，因此成本比较高。

随着电力电子技术的发展，采用全控型电力电子器件进行交流斩波控制(见图3，其中2为交流电源，3为负载，7为电力电子开关器件所组成的双向开关，8为控制器)具有体积小重量轻的特点，由于电力电子器件工作在较高的频率下，因此可以利用很小的高频滤波电路就可以有效抑制系统所产生的谐波。所以输出电压为正弦波，同时输入电流谐波含量也非常小。但是要组成交流斩波电路必需要有续流通路，以便防止感性负载上因斩波而引起的高压击穿电力电子器件。由于是交流斩波电路，因此续流电路也必须是双向的。直流电路中利用二极管就可以续流，而交流电路必须用双向开关对续流电路进行控制。由于采用双向开关，必须防止直通短路，如果插入死区又会引起感性负载关断时产生的高压，因此系统的成本和控制的复杂程度都难以被接受，可靠性也较低。

如上所述，目前交流调压技术成本较高，系统控制复杂，或者谐波污染较为严重，因此，本发明在已有交流调压技术的基础上，提出了一种具有控制简单灵活，可靠性高，谐波含量小，功率因数高，成本较低的单开关交流斩波调压装置。使系统的全控型电力电子开关的数量降到了最低水平。

发明内容

本发明针对现有技术所存在的主要问题，提供一种仅利用一个双向电力电子开关加上一个高频链环节进行交流斩波控制的装置，使组成该装置的全控型电力电子器件的数量降到了最少，从而大大降低了系统的成本和控制的复杂程度。本发明中的电力电子开关是全控型电力电子器件所组成的双向开关。高频链环节由Z型高频滤波网络或者LC支路组成。由于采用交流斩波控制，与传统晶闸管移相控制系统相比本发明的谐波含量非常低。使交流调压系统既实现了正弦波控制，又克服了常用交流斩波电路器件多、成本高、控制复杂、存在直通短路风险的缺点。

本发明的目的是这样实现的：

单开关交流斩波调压装置由控制器，双向电力电子开关，Z型高频滤波器，高频输出滤波器构成，Z型高频滤波器由两个高频电感和两个高频电容按Z形交叉连接组成，该Z型滤波器一端与双向电力电子开关相连接，另外一端与输入电源相连接。电力电子开关是由单个全控电力电子器件和功率二极管组成的双向开关，该双向开关串联在交流电源与Z型滤波器之间；该双向电力电子开关也可以由2个全控型电力电子器件构成，但是所需的功率二极管减少到了2个。高频输出滤波器由高频电感和高频电容组成，连接在Z型滤波器与负载之间。斩波调压装置还包括加在输出端的、用于检测输出电压、电流的传感器，控制器通过输入检测得到的输出电压信号和电流信号进行反馈控制。Z型高频滤波器可以用LC支路代替。

本发明的一个效果在于，使装置的输出交流电压可调。

本发明的另外一个效果在于，使输出电压可调的同时，降低系统的体积重量和成本。

本发明的另外一个效果在于，使输出电压可调的同时，提高输出电压的正弦度，使负载受电压畸变的影响减小到最低限度。

本发明的另外一个效果在于，使输出电压可调的同时，提高输入电流的正弦度，减小对电网的谐波干扰。

本发明的另外一个效果在于，使输出电压可调的同时，简化控制模式，消除短路直通的风险，提高系统的可靠性。

本发明的另外一个效果在于，通过系统的闭环控制使系统可以工作在输出稳压模式、调压模式、电流调节模式、和功率调节模式，以适应不同的应用领域。

附图说明

图1是已有的可控硅移相控制装置示意图；

图2是已有的利用变压器或者电感的电磁调节控制装置示意图；

图3是已有的全控型电力电子器件交流斩波控制装置示意图；

图4是本发明单开关斩波调压装置结构图；

图5是本发明中可以替代双向电力电子开关的其它可选结构图；

图6是本发明中可以替代Z型高频滤波器的LC电路。

具体实施方式

如图4所示，本发明包括：控制器14，电压检测电路12，电流检测电路13，双向电力电子开关9，Z型高频滤波器10，高频输出滤波器11。

如图4所示，本发明中仅使用了一个双向电力电子开关9，对交流电压进行斩波控制，使得交流斩波调压控制系统的电力电子开关器件数量降到了最低水平。

图4中双向电力电子开关9串连在交流电路中，在双向电力电子开关输出端和输入电源的另外一端加入Z型高频滤波器10。该滤波器由两个高频电感和两个高频无感电容组成。由于电力电子开关工作在高频斩波模式，因此，该Z型滤波器的参数可以设计的非常小，所以可以降低系统的体积和重量，并且大幅度降低系统的成本。高频输出滤波器11也工作在高频模式，可以使得输出电压更加完美。

双向电力电子开关9由单个全控型器件和功率二极管组成，其中的全控型电力电子器件可以是IGBT、MOSFET、GTO、GTR、IGCT等等，在图4中仅画出了IGBT器件作为代表。当该全控型电力电子器件受到控制器控制导通时，通过二极管电路可以使得电流可以双向流动；当该全控型电力电子器件受到控制器控制截止时，该双向开关截止，双向电流均被关断。

Z型高频滤波网络10在双向开关导通时作为滤波电路，使得输出电压更加平滑，并且可以防止电流冲击。当双向开关截止时，为感性负载提供了一个续流通路。由于在稳态时，Z型高频滤波网络中的电感两端的平均电压为零。因此，输出电压仅受双向开关的斩波控制，其输出电压有效值是双向开关斩波控制占空比的函数。另外，在小功率应用场合，Z型高频滤波器也可以由单LC电路代替，见图6。

在电压调节器和负载之间加入高频输出滤波器11，该滤波器滤除由于双向电力电子开关斩波时所造成的高频谐波，从而保证输出电压品质达到最优。

在输出端加入电压和电流传感器12、13，以便对输出参数进行控制。通过控制器14的闭环控制，可以调节输出电压、输出电流、或者输出功率。因此可以适合多种应用场合，并且可以有效降低主电路成本。

控制器14用来接受上位机的指令，检测系统输出电压电流，并根据应用场合的需要对输出电压、电流、或者功率进行控制，并对系统可能产生的故障进行检测和保护。根据控制要求，控制器输出PWM信号，对双向可控电力电子开关的控制端进行斩波控制。由于本发明与现有技术相比，其控制复杂性大为降低，因此控制器成本也会下降。

除此之外双向开关还可以用图5中的形式代替。这时需要2个全控型电力电子器件，但是所需的功率二极管减少到了2个。

Claims

1、一种单开关交流斩波调压装置，其特征在于，它由控制器，双向电力电子开关，Z型高频滤波器，高频输出滤波器构成，Z型高频滤波器由两个高频电感和两个高频电容按Z形交叉连接组成，该Z型滤波器一端与双向电力电子开关相连接，另外一端与输入电源相连接。

2、如权利要求1所述的交流斩波调压装置，其特征在于，其电力电子开关是由单个全控电力电子器件和功率二极管组成的双向开关，它串联在交流电源与Z型滤波器之间；该开关也可以由2个全控型电力电子器件构成，但是所需的功率二极管减少到了2个。

3、如权利要求1所述的交流斩波调压装置，其特征在于，其高频输出滤波器由高频电感和高频电容组成，连接在Z型滤波器与负载之间。

4、如权利要求1所述的交流斩波调压装置，其特征在于，它还包括加在输出端的、用于检测输出电压、电流的传感器，控制器通过输入检测得到的输出电压信号和电流信号进行反馈控制。

5、如权利要求1所述的交流斩波调压装置，其特征在于，Z型高频滤波器可以用LC支路代替。