CN101702589B - 双Boost逆变前级高频链矩阵式三相四臂对变换拓扑 - Google Patents
双Boost逆变前级高频链矩阵式三相四臂对变换拓扑 Download PDFInfo
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Abstract
一种双Boost逆变前级高频链矩阵式三相四臂对变换拓扑，属隔离型高频功率变换领域，包括：双Boost高频逆变电路(1)、高频链变压器(2)、矩阵式三相四臂对变换器(3)及系统输出环节(4)。双Boost电路实现调幅升压高频逆变，高频变压器用于电气隔离和能量传递，矩阵式三相四臂对变换器实现负载不平衡时的对称及平衡交流输出，系统输出环节连接用电装置。发明的突出优点是同时具有高频隔离变换、升压逆变、三相四臂对功率变换解决负载不平衡问题的功能。其它优点：升压逆变电路器件数目仅为同容量桥式逆变的一半；升压调压可减少变压器绕组匝数及其寄生参数的影响；后级各臂对结构一致，宜模块化易集成。
Description
技术领域
本发明涉及双Boost逆变前级高频链矩阵式三相四臂对变换拓扑，属于隔离型高频功率变换领域。
背景技术
逆变电路是一种把直流电能装换成交流电能的拓扑装置。
传统逆变器常分为方波输出型和正弦波输出型，当涉及隔离及升降压时需要在逆变器输出(或公共电网之间)加入工频变压器，具有体积大、重量沉、工频噪声以及动态响应差等缺点。
高频链逆变器采用高频变压器替代工频变压器克服了传统变压器隔离应用的缺点。高频链逆变器的功率特征是DC/HFAC/LFAC三步功率变换过程，其中，HFAC：高频交流，LFAC：低频交流，可见此类逆变器中出现了AC/AC即交流/交流变换环节，该环节也常称为周波变换器或矩阵变换器环节。矩阵变换器与传统变换器相比，没有中间储能环节，采用双向开关，可以实现能量的双向流动，结构紧凑、体积小、效率高，且输出电压幅值和频率可以独立控制。
在三相交流电的应用中不平衡问题是一个严重问题，三相不平衡问题包括两个方面，即三相负载不平衡和三相电源不平衡。三相负载不平衡是指三相系统中的负载阻抗不完全相等，三相电源不平衡是指三相电力系统中的三相电动势不平衡。在三相逆变设备中，主要指由于负载不平衡引起的三相输出电压不平衡，而且在一般场合的电源系统中，负载还往往是不平衡且变化的，这就要求逆变器形成三相四线输出制。目前为止，现有技术中出现了单向开关非隔离三相四臂对逆变器，但没有采用双向开关的隔离型矩阵式逆变器的相关文献和报导。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可以节省开关器件和开关损耗，又可以解决三相平衡问题，同时兼具高频链和矩阵式变换器优点的高功率密度能量变换拓扑。所设计的主电路拓扑将三相四臂对技术应用到矩阵式逆变器拓扑中，并将其用作高频链逆变器的后级，不但可以解决三相负载不平衡的问题，还兼具矩阵变换器和高频链变换的优点。
本发明的技术方案是双Boost逆变前级高频链矩阵式三相四臂对功率变换结构，包括双Boost高频逆变电路，高频隔离变压器，矩阵式三相四臂对变换器。双Boost高频逆变电路实现直流向高频交流的转变并将其输出作为高频隔离变压器的原边输入，高频隔离变压器起到隔离和能量传输的作用其副边输出作为矩阵式三相四臂对变换器的输入，矩阵式三相四臂对变换器起到高频单相交流向低频三相交流转换的作用具有带三相不平衡负载的能力。
本发明的有益效果是：高频链前级采用双Boost电路驱动，高频链后级结合了三相四臂对和矩阵式变换器的优点，有效减少了开关个数和开关损耗，同时解决了三相不平衡负载的问题。本发明采用高频链功率变换可以解决工频变压器笨重的缺点，采用升压可调幅逆变使得变压器的设计更为简洁且可以减少其寄生参数影响，以具有交流/交流变换能力的四臂对三相输出型矩阵变换器解决负载不平衡的影响，是一种新型实用的功率变换拓扑。
附图说明
图1为本发明所采用的前级双Boost高频逆变电路拓扑。
图2为本发明所采用的共集电极反向串联IGBT组合双向功率开关
图3为本发明提出的具有双Boost前级电路的高频链矩阵式三相四臂对变换拓扑。
具体实施方式
图1为所设计的双Boost高频逆变电路拓扑。它由两个全控开关和两个储能电感组成，两个全控开关M1和M2的触发脉冲G1和G2为两重两相的，并且相位相差180度的方波脉冲。该双Boost高频逆变电路的结构类似普通的交错并联型的双Boost DC/DC变换电路。不同的是双Boost高频逆变电路的输出省去了其中的二极管，且直接在二极管的位置挂接负载，从而变直流输出为高频交流输出。通过控制两个Boost变换器交替工作，可以实现DC/HFAC的能量变换。本逆变主电路采用功率场效应管M1、M2，电感L1、L2连接而成，两个场效应管的源极及漏极分别接在直流输入电源DC的低电位端和电感L1、L2之间，电感L1、L2分别连接在直流输入电源DC的高电位端和场效应管M1、M2的漏极之间，场效应管M1和电感L1的联接点以及场效应管M2和电感L2的联接点作为该升压变变换器器的输出端。
图2为共集电极反向串联IGBT组合双向开关可以流动交流电能，为能量双向流动提供通路。此开关时构成矩阵式三相四桥臂变换器的基本功率器件。
图3为双Boost逆变前级高频链矩阵式三相四臂对变换拓扑总成图。本设计的高频链逆变器主电路拓扑以高频变压器作为电气隔离和能量传输环节，以高频功率变换替代低频功率变换实现小体积和高功率密度的能量转换，由双Boost高频逆变前级电路(1)、高频链变压器(2)、矩阵式三相四臂对变换器(3)以及系统输出环节(4)组成，其中，前级是高频变压器前面部分的简称，后级是高频变压器后面部分的简称，双Boost高频逆变前级电路(1)的输出连接高频链变压器(2)的原边，高频链变压器(2)的副边输出作为矩阵式三相四臂对变换器(3)的交流输入。其中矩阵式单相/三相四臂对变换器由8组图2所示的功率双向开关组成桥式结构，每个双向开关采用可控功率器件IGBT两两反向串联构成，即器件射极公共连接而其集电极对外连接，8组双向开关分属4个臂对包括1个N臂对和3个ABC臂对一起，其中N臂对的两个双向开关管的串联节点连于三个负载的星型公共点，三个ABC臂对的两个双向开关的串联节点分别连于三相负载的另一端。当面向不平衡负载时，对高频链矩阵式三相四臂对变换拓扑采用SPWM、SVPWM控制，该拓扑可输出具有抗平衡负载能力的低频三相正弦波交流电。
Claims (2)
1.一种双Boost逆变前级高频链矩阵式三相四臂对变换拓扑，属于隔离型高频功率变换领域，以高频变压器作为电气隔离和能量传输环节，以高频功率变换替代低频功率变换实现小体积和高功率密度的能量转换，其特征在于：包括双Boost高频逆变前级电路(1)、高频变压器(2)、矩阵式三相四臂对变换器(3)以及系统输出环节(4)，其中，高频变压器原边部分为原级，高频变压器副边部分为后级，双Boost高频逆变前级电路(1)的输出连接高频变压器(2)的原边，高频变压器(2)的副边输出作为矩阵式三相四臂对变换器(3)的交流输入，矩阵式三相四臂对变换器(3)的ABC三臂对负责三相交流输出，并连接输出环节(4)三相负载，矩阵式三相四臂对变换器(3)的N臂对负责对不平衡负载的平衡调整，并连接输出环节(4)负载的中性线。
2.根据权利要求1所述的双Boost逆变前级高频链矩阵式三相四臂对变换拓扑，其特征在于：双Boost高频链逆变器由功率场效应管M1、M2，电感L1、L2及直流输入电源DC连接而成，功率场效应管M1的源极连接直流输入电源DC的低电位端，漏极连接电感L1的一端，电感L1另一端连接直流输入电源DC的高电位端，功率场效应管M2的源极连接直流输入电源DC的低电位端，漏极连接电感L2的一端，电感L2另一端连接直流输入电源DC的高电位端，功率场效应管M1和电感L1的联接点以及功率场效应管M2和电感L2的联接点作为该双Boost高频链逆变器的输出端，接至高频变压器的原边。
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