CN101877539B - 一种电源转换器以及输入/输出频率转换方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电源转换器以及进行输入/输出频率的转换方法。电源转换器中包括：第一级AC/AC转换器，对来自电网的三相交流电进行整流，以及根据各个脉冲的伏秒积相同的原则对整流波形进行高频斩波，产生高频脉冲序列；变压器，对第一级AC/AC转换器产生的高频脉冲序列进行隔离，输出至第二级AC/AC转换器；第二级AC/AC转换器，将变压器输出的高频脉冲序列转换为基波频率为所需输出频率的脉冲序列；LC滤波器，对第二级AC/AC转换器输出的脉冲序列进行滤波，得到具有所需输出频率的交流电。本发明消除了电源转换过程中的直流态，使用2级转换器就可完成输入/输出频率转换过程，大大提高了频率的转换效率。
Description
技术领域
本发明涉及电源技术，具体涉及一种电源转换器以及输入/输出频率转换方法。
背景技术
电网电源的频率是标准的50Hz。然而，在很多应用领域中，需要使用的电源频率却不是电网电源的50Hz，而是其它特定的频率。比如，在铁路应用中，25Hz的电源频率被广泛用于状态灵敏度测试电路；在飞机站点测试中，使用的电子设备需要400Hz的电源频率。这样，在具体的应用中，就需要使用电源转换器将电网所提供电源的标准50Hz频率转换为实际所需的频率，即，进行输入/输出频率转换。
图1是现有技术中电源转换器的一种结构示意图。图2是在现有技术中电源转换器进行输入/输出频率转换的流程图。参见图1和图2，在现有技术中，进行输入/输出频率转换的过程主要包括如下步骤：
步骤201：从电网输入的具有标准50Hz频率的三相交流电首先被输入第一级的AC/DC转换器进行整流，整流波形经过大型电容器C的滤波转换为直流电源。
步骤202：第二级的DC/AC转换器对该直流电源进行高频斩波，产生离散的脉宽固定的高频脉冲序列。
步骤203：脉宽固定的高频脉冲序列经过隔离变压器传输至第三级的AC/DC转换器。
步骤204：第三级的AC/DC转换器对离散的高频脉冲序列进行整流，然后经过大型电容器C的滤波转换为直流电源。
步骤205：该直流电源依次经过第四级的DC/AC转换器的转换以及LC滤波器的滤波处理，产生满足负载要求的交流电输出频率。
根据图1以及以上描述可以看出，利用现有技术中的电源转换器进行输入/输出频率转换时，由于电源转换器中包括4个AC-DC转换器，需要进行4级直流与交流之间的互相转换，而每一级转换都会导致转换效率的损耗，因此，最终电源转换器的转换效率会大大降低，通常少于85％。
进一步地，由于现有技术中电源转换器进行输入/输出频率转换的过程中，电源需要多次以直流态存在，这样则意味着需要使用多个大型电容器C对整流后的波形进行滤波来得到该直流态，由于使用了多个大型电容器，因此，造成了电源转换器的体积大、成本高并且寿命低。
进一步地，由于现有技术中电源转换器内部的AC/DC转换器均为单向整流器，因此很难适用于多种负载的多种输出频率要求。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种电源转换器以及输入/输出频率转换方法，以便于提高频率转换的效率。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种电源转换器，包括：
第一级AC/AC转换器，对来自电网的三相交流电进行整流，以及根据各个脉冲的伏秒积相同的原则对整流波形进行高频斩波，产生高频脉冲序列；
变压器，对第一级AC/AC转换器产生的高频脉冲序列进行隔离，输出至第二级AC/AC转换器；
第二级AC/AC转换器，将变压器输出的高频脉冲序列转换为基波频率为所需输出频率的脉冲序列；
LC滤波器，对第二级AC/AC转换器输出的脉冲序列进行滤波，得到具有所需输出频率的交流电。
可选地，所述第一级AC/AC转换器中包括由6个双向开关组成的三相桥式电路，该6个双向开关均工作于高速开关状态，来自电网的三相交流电输入分别连接到三相桥式电路中的每一相；该6个双向开关通过执行导通和关断，实时选择三相交流电输入中线电压最高的两相，同时根据斩波出的各个脉冲的伏秒积相同的原则控制每一个双向开关的开关频率，产生出高频脉冲序列。
可选地，所述第一级AC/AC转换器中包括整流模块和斩波模块，
整流模块包括由6个单向开关组成的三相桥式电路，来自电网的三相交流电输入分别连接到三相桥式电路中的每一相；该6个单向开关通过执行导通和关断，对三相交流电输入进行全波整流，该6个单向开关的开关频率为电网频率，整流后波形输出至斩波模块；
斩波模块包括由4个单向开关组成的H桥，该4个单向开关均工作于高速开关状态，该4个单向开关通过执行导通和关断，以及根据斩波出的各个脉冲的伏秒积相同的原则控制该4个单向开关的开关频率，产生出高频脉冲序列。
可选地，所述第二级AC/AC转换器中包括2个双向开关，该2个双向开关中的每一个双向开关的一端与变压器副边相连，另一端连接到一起与LC滤波器中的电感L的一端连接，该电感L的另外一端和跨接在变压器副边中间抽头的LC滤波器中的电容C连接，通过控制该2个双向开关的导通和关断，且控制该2个双向开关的开关频率为所需的输出频率，产生出基波频率为所需输出频率的脉冲序列。
可选地，所述第二级AC/AC转换器中包括2个双向开关，该2个双向开关中的每一个双向开关的一端与变压器副边相连，另一端连接到一起与LC滤波器中的电感L的一端连接，电感L的另外一端和跨接在变压器副边的LC滤波器中的电容C连接，通过控制该2个双向开关的导通和关断，且控制该2个双向开关的开关频率为所需的输出频率，产生出基波频率为所需输出频率的脉冲序列。
可选地，所述第二级AC/AC转换器中包括以全桥整流的方式连接在一起的4个双向开关，该4个双向开关中的每个双向开关的一端与变压器副边连接，另外一端相互两两连接，并分别与LC滤波器连接，通过控制该4个双向开关的导通和关断，且控制该4个双向开关的开关频率为所需的输出频率，产生出基波频率为所需输出频率的脉冲序列。
较佳地，当所述开关为IGBT时，任意一个双向开关为：
两个IGBT的发射极相连所形成的双向开关；
或者，
两个IGBT的集电极相连形成的双向开关；
或者，
一个IGBT的集电极接到单相二极管整流桥的正极，发射极接到单相二极管整流桥的负极所形成的双向开关。
一种进行输入/输出频率转换的方法，应用于包括第一级AC/AC转换器、变压器、第二级AC/AC转换器以及LC滤波器的电源转换器中，包括：
A、由第一级AC/AC转换器对来自电网的三相交流电进行整流，并且根据各个脉冲的伏秒积相同的原则直接对整流波形进行高频斩波，产生高频脉冲序列；
B、由变压器对第一级AC/AC转换器产生的高频脉冲序列进行隔离；
C、由第二级AC/AC转换器将变压器产生的高频脉冲序列转换为基波频率为所需输出频率的脉冲序列；
D、由LC滤波器对第二级AC/AC转换器输出的脉冲序列进行滤波，得到具有所需输出频率的交流电。
可选地，所述第一级AC/AC转换器中包括由6个双向开关组成的三相桥式电路，该6个双向开关均工作于高速开关状态，来自电网的三相交流电输入分别连接到三相桥式电路中的每一相；
所述步骤A包括：通过控制第一级AC/AC转换器中6个双向开关的导通和关断，实时选择三相交流电输入中线电压最高的两相，同时根据斩波出的各个脉冲的伏秒积相同的原则控制该6个双向开关的开关频率，产生出高频脉冲序列。
可选地，所述第一级AC/AC转换器中包括整流模块和斩波模块，整流模块包括由6个单向开关组成的三相桥式电路，来自电网的三相交流电输入分别连接到三相桥式电路中的每一相；斩波模块包括由4个单向开关组成的H桥，该4个单向开关均工作于高速开关状态，
在步骤A中，所述进行整流的步骤包括：通过控制整流模块中的6个单向开关的导通和关断，并控制该6个单向开关的开关频率为电网频率，对三相交流电输入进行全波整流；
在步骤A中，所述进行高频斩波的步骤包括：通过控制斩波模块中4个单向开关的导通和关断，并根据斩波出的各个脉冲的伏秒积相同的原则控制该4个单向开关的开关频率，对整流模块输出的整流波形进行高频斩波。
可选地，所述第二级AC/AC转换器中包括2个双向开关，该2个双向开关中的每一个双向开关的一端与变压器副边相连，另一端连接到一起与LC滤波器中的电感L的一端连接，该电感L的另外一端和跨接在变压器副边中间抽头的LC滤波器中的电容C连接；或者，所述第二级AC/AC转换器中包括2个双向开关，该2个双向开关中的每一个双向开关的一端与变压器副边相连，另一端连接到一起与LC滤波器中的电感L的一端连接，电感L的另外一端和跨接在变压器副边的LC滤波器中的电容C连接；或者，所述第二级AC/AC转换器中包括以全桥整流的方式连接在一起的4个双向开关，该4个双向开关中的每个双向开关的一端与变压器副边连接，另外一端相互两两连接，并分别与LC滤波器连接；
所述步骤C包括：通过控制所述第二级AC/AC转换器中各个双向开关的导通和关断，且控制该各个双向开关的开关频率为所需的输出频率，产生出基波频率为所需输出频率的脉冲序列
由此可见，本发明具有以下优点：
1)利用本发明的电源转换器，只使用一个第一级AC/AC转换器就能够得到现有电源转换器中第一级AC/DC转换器、大型电容器和第二级DC/AC转换器共同作用后才能得到的高频脉冲序列，并且，只使用一个第二级AC/AC转换器就能够得到现有电源转换器中第三级AC/DC转换器、大型电容器和第四级DC/AC转换器共同作用后才能得到的输入LC滤波器的整流波形，并且，中间不存在电源的直流态。因此，本发明的电源转换器消除了电源的直流态，使用较少的2级转换器就可完成现有技术中4级转换器以及2个大型电容器共同作用才能完成的输入/输出频率转换过程，因此，大大提高了频率的转换效率。
2)进一步地，由于在本发明中，消除了中间阶段电源的直流态，因此无需现有技术中的使用多个大型电容器C来滤波出直流电源，由于无需使用多个大型电容器C，因此，减小了电源转换器的体积、降低了成本并且延长了电源转换器的寿命。
3)进一步地，由于在本发明中，AC/AC转换器内部的开关均为双向开关，能够进行电流的双向流动以及电压的双向阻断，从而完成了双向整流，能够实现动态能量交换，因此能够适用于多种负载的多种输出频率要求。
4)输出波形与输入波形之间没有任何联系，且能够被任意定义，因此，无需改变任何硬件结构，仅通过改变输出设置就能够达到输出结果的可配置性。
附图说明
下面将通过参照附图详细描述本发明的优选实施例，使本领域的普通技术人员更清楚本发明的上述及其它特征和优点，附图中：
图1是现有技术中电源转换器的一种结构示意图；
图2是在现有技术中电源转换器进行输入/输出频率转换的流程图；
图3是本发明中电源转换器的基本结构示意图；
图4a是在本发明中第一级AC/AC转换器内部的一种结构示意图；
图4b是在本发明中第一级AC/AC转换器内部的另一种结构示意图；
图5a是本发明提供的第一种双向开关的结构示意图；
图5b是本发明提供的第二种双向开关的结构示意图；
图5c是本发明提供的第三种双向开关的结构示意图；
图6a是在本发明中第二级AC/AC转换器内部的第一种结构示意图以及与前级的变压器和后级的LC滤波器的连接示意图；
图6b是在本发明中第二级AC/AC转换器内部的第二种结构示意图以及与前级的变压器和后级的LC滤波器的连接示意图；
图6c是在本发明中第二级AC/AC转换器内部的第三种结构示意图以及与前级的变压器和后级的LC滤波器的连接示意图；
图7是在本发明一个实施例中电源转换器内部的一种较佳结构示意图；
图8是在本发明另一个实施例中电源转换器内部的一种较佳结构示意图；
图9是在本发明实施例1中进行输入/输出频率转换的流程图；
图10a是在本发明实施例中产生的高频脉冲序列的波形图；
图10b是在本发明实施例中基波频率为所需输出频率的脉冲序列的波形图；
图11是在本发明实施例2中进行输入/输出频率转换的流程图；
图12是在本发明实施例2中全波整流后的波形图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在现有技术中，由于需要进行4级直流与交流之间的互相转换，因此，会使得最终电源输出频率的转换效率降低。分析可知，由于输入电源和最终输出电源都是交流电，因此，如果能够直接从输入的交流电频率转换为输出的交流电频率，消除中间阶段的直流态，则能够大大提高输入/输出频率转换的效率。
因此，本发明提出了一种能够直接从输入的交流电频率转换为输出的交流电频率(消除中间阶段直流态)的电源转换器。图3是本发明中电源转换器的基本结构示意图。参见图3，该电源转换器包括：
第一级AC/AC转换器，对来自电网的三相交流电进行整流，以及根据各个脉冲的伏秒积相同的原则直接对整流波形进行高频斩波，产生高频脉冲序列；
变压器，对第一级AC/AC转换器产生的高频脉冲序列进行隔离，输出至第二级AC/AC转换器；
第二级AC/AC转换器，将变压器输出的高频脉冲序列转换为基波频率为所需输出频率的脉冲序列；
LC滤波器，对第二级AC/AC转换器输出的脉冲序列进行滤波，得到具有所需输出频率的交流电。
相应地，本发明还提出了一种输入/输出频率转换方法，该方法的核心思想是：由第一级AC/AC转换器对来自电网的三相交流电进行整流，并且根据各个脉冲的伏秒积相同的原则直接对整流波形进行高频斩波，产生高频脉冲序列；由变压器对第一级AC/AC转换器产生的高频脉冲序列进行隔离；由第二级AC/AC转换器将变压器产生的高频脉冲序列转换为基波频率为所需输出频率的脉冲序列；由LC滤波器对第二级AC/AC转换器输出的脉冲序列进行滤波，得到具有所需输出频率的交流电。
可见，利用本发明的电源转换器，只使用一个第一级AC/AC转换器就能够得到现有电源转换器中第一级AC/DC转换器、大型电容器和第二级DC/AC转换器共同作用后才能得到的高频脉冲序列，并且，只使用一个第二级AC/AC转换器就能够得到现有电源转换器中第三级AC/DC转换器、大型电容器和第四级DC/AC转换器共同作用后才能得到的输入LC滤波器的整流波形，并且，中间不存在电源的直流态。因此，本发明的电源转换器消除了电源的直流态，使用较少的2级转换器就可完成现有技术中4级转换器以及2个大型电容器共同作用才能完成的输入/输出频率转换过程，因此，大大提高了频率的转换效率。
根据以上描述可知，在本发明的电源转换器中，第一级AC/AC转换器主要是用来对三相交流电的整流波形直接进行高频斩波，产生能够输入到变压器的高频脉冲序列。在实际的业务实现中，第一级AC/AC转换器可以通过如下两种方式来执行对三相交流电的整流波形直接进行高频斩波，从而产生高频脉冲序列：
方式一、在对电网的三相交流电进行整流的同时进行高频斩波。
方式二、先对电网的三相交流电进行整流，再对整流之后的波形进行高频斩波。
图4a是在本发明中第一级AC/AC转换器内部的一种结构示意图。参见图4a，当第一级AC/AC转换器采用上述方式一来产生高频脉冲序列时，其内部的结构如图4a所示，包括由六个双向开关组成的三相桥式电路，电网的三相交流电输入分别连接到三相桥式电路中的每一相。该6个双向开关通过执行导通和关断，实时选择三相交流电输入中线电压最高的两相，同时该6个双向开关的开关频率根据斩波出的各个脉冲的伏秒积相同原则决定，从而最终产生能够直接传输到变压器的高频脉冲序列。
参见图4a，当双向开关使用IGBT时，三相桥式电路中，每一个双向开关是通过将两个IGBT的发射极(E极)相互连接而构成。
图4b是在本发明中第一级AC/AC转换器内部的另一种结构示意图。参见图4b，当第一级AC/AC转换器采用上述方式二来产生高频脉冲序列时，其内部的结构如图4b所示，包括整流模块和斩波模块。其中，整流模块包括由6个单向开关组成的三相桥式电路，来自电网的三相交流电输入分别连接到三相桥式电路中的每一相；该6个单向开关通过执行导通和关断，对三相交流电输入进行全波整流，该6个单向开关的开关频率为电网频率；斩波模块包括由4个单向开关组成的H桥，该4个单向开关均工作于高速开关状态，该4个单向开关通过执行导通和关断，以及根据斩波出的各个脉冲的伏秒积相同的原则控制该4个单向开关的开关频率，对整流模块输出的整流波形进行高频斩波，产生出高频脉冲序列。
参见图4b，当双向开关使用IGBT时，三相桥式电路中，利用IGBT代替常用的三相二极管不控整流桥，具体地，上端的三个IGBT的集电极相互连接，发射极分别连接输入的电网的三相交流电的三相；下端的三个IGBT的集电极分别连接输入的电网的三相交流电的三相，发射极相互连接。
在上述图4a所示的第一级AC/AC转换器中，使用了双向开关来构造三相桥式电路。而现有技术中仅有单向开关，而没有双向开关，因此，本发明中提供了三种双向开关的构造方法。图5a是本发明提供的第一种双向开关的结构示意图。参见图5a，在构造双向开关时，一种可行的实现方式为：两个IGBT的发射极(E)相连，形成双向开关。图5b是本发明提供的第二种双向开关的结构示意图。参见图5b，在构造双向开关时，另一种可行的实现方式为：两个IGBT的集电极(C)相连，形成双向开关。图5c是本发明提供的第三种双向开关的结构示意图。参见图5c，在构造双向开关时，又一种可行的实现方式为：IGBT的集电极接到单相二极管整流桥的正极，发射极接到单相二极管整流桥的负极，形成双向开关。本发明中提供的双向开关能够实现电流双向流动，电压双向阻断的目的。
可以看出，在上述图4a所示的第一级AC/AC转换器中的双向开关是利用图5a所示的双向开关来实现，在实际的业务实现中，也可以将图4a所示的第一级AC/AC转换器中的双向开关替换为图5b和图5c中所示的双向开关。
在本发明的电源转换器中，第二级AC/AC转换器的主要功能是将变压器输出的高频脉冲序列直接转换为基波频率为所需输出频率的脉冲序列。在本发明中，该第二级AC/AC转换器的功能可以通过双向开关来实现，此时，其内部的结构可以包括三种实现方式。
图6a是在本发明中第二级AC/AC转换器内部的第一种结构示意图以及与前级的变压器和后级的LC滤波器的连接示意图。参见图6a，图6a中的实现方式类似于常规的双半波整流方式，图6a中的双向开关采用图5a所示的双向开关构成。两个双向开关的一端与变压器副边相连，另一端连接到一起与外部后级的LC滤波器中的电感L连接，该电感L的另外一端和跨接在变压器副边中间抽头的电容C连接构成低通滤波电路，通过控制该2个双向开关的导通和关断，且控制该2个双向开关的开关频率为所需的输出频率，产生出基波频率为所需输出频率的脉冲序列。具体工作原理包括：当变压器原边为正脉冲时，图6a中上部的双向开关(记为双向开关01)导通后，输出正脉冲，下部的双向开关(记为双向开关02)导通后，输出负脉冲；当变压器原边为负脉冲时，双向开关01导通后，输出负脉冲，双向开关02导通后，输出正脉冲。这样通过选择双向开关的开通方式，将经过变压器的高频的交流脉冲变换为低频的脉冲串，其输出波形的基波为所需要的输出电压，经LC滤波后得到所需要频率的交流电。
图6b是在本发明中第二级AC/AC转换器内部的第二种结构示意图以及与前级的变压器和后级的LC滤波器的连接示意图。参见图6b，图6b中的实现方式类似于常规的半波整流方式，图6b中的双向开关采用图5a所示的双向开关构成。两个双向开关的一端与变压器副边相连，另一端连接到一起与电感L连接，电感L的另外一端和跨接在副边另一端的电容C连接构成低通滤波电路，通过控制该2个双向开关的导通和关断，且控制该2个双向开关的开关频率为所需的输出频率，产生出基波频率为所需输出频率的脉冲序列。其工作原理为：当变压器原边为正脉冲时，图6b中上部的双向开关(记为双向开关11)导通后，输出正脉冲，右侧的双向开关(记为双向开关12)导通后，输出零脉冲；当原边为负脉冲时，双向开关11导通后，输出负脉冲，双向开关12导通后，输出零脉冲。这样通过选择双向开关的开通方式，将经过变压器的高频的交流脉冲变换为低频的脉冲串，其输出波形的基波为所需要的输出电压，经LC滤波后得到所需要频率的交流电。
图6c是在本发明中第二级AC/AC转换器内部的第三种结构示意图以及与前级的变压器和后级的LC滤波器的连接示意图。参见图6c，图6c中的实现方式类似于常规的全波整流方式，图6c中的双向开关采用图5a所示的双向开关构成。四个双向开关接成全桥整流的方式。每个双向开关的一端与变压器副边绕组连接，另外一端相互两两连接，与LC低通滤波器相连，通过控制该4个双向开关的导通和关断，且控制该4个双向开关的开关频率为所需的输出频率，产生出基波频率为所需输出频率的脉冲序列。其工作原理为：当变压器原边为正脉冲时，双向开关22、23导通后，输出正脉冲，双向开关21、24导通后，输出负脉冲；当原边为负脉冲时，双向开关21、24导通后，输出负脉冲，双向开关22、23导通后，输出正脉冲。这样通过选择双向开关的开通方式，将高频的交流脉冲变换为低频的脉冲串，其输出波形的基波为所需要的输出电压，经LC滤波后得到所需要频率的交流电。
上述图6a至图6c所示的第二级AC/AC转换器中，为了保证从第二级AC/AC转换器输出基波频率为所需输出频率的脉冲序列，所有双向开关的开关频率为所需的输出频率。
将以上描述的图4a和图4b所示两种第一级AC/AC转换器的结构和图6b所示的第二级AC/AC转换器的结构分别进行组合，可以得到本发明所提供的电源转换器的两种较佳的具体结构。图7是在本发明一个实施例中电源转换器内部的一种较佳结构示意图。图7所示的电源转换器是利用图4a所示的第一级AC/AC转换器和图6b所示的第二级AC/AC转换器及其与变压器和LC滤波器的连接方式而构成。图8是在本发明另一个实施例中电源转换器内部的一种较佳结构示意图。图8所示的电源转换器是利用图4b所示的第一级AC/AC转换器和图6b所示的第二级AC/AC转换器及其与变压器和LC滤波器的连接方式而构成。
以上对本发明的电源转换器的内部结构组成方式进行了描述。
下面结合本发明中电源转换器的内部结构组成来详细说明本发明进行输入/输出频率转换的具体实现过程。
实施例1：
本实施例1是利用图7所示结构的电源转换器来进行输入/输出频率转换。
图9是在本发明实施例1中进行输入/输出频率转换的流程图。参见图9，利用图7所示结构的本发明电源转换器，进行输入/输出频率转换的过程具体包括以下步骤：
步骤901：来自电网的三相交流电A、B、C分别输入到第一级AC/AC转换器中由六个双向开关(1至6)组成的三相桥式电路中的每一相。
步骤902：对三相交流电进行全波整流，在整流过程中根据各个脉冲的伏秒积相同的原则对实时整流出的波形进行实时高频斩波，产生高频脉冲序列。
参见图7，本步骤的过程具体包括：通过控制第一级AC/AC转换器中6个双向开关的导通和关断，实时选择三相交流电输入中线电压最高的两相，同时根据各个脉冲的伏秒积相同的原则控制双向开关的导通时间，从而最终产生高频脉冲序列。其中，由于是一边进行整流，一边进行高频斩波，因此，该6个双向开关均工作于高速开关状态。
比如，当前的输入中，AB的线电压的峰值最高时，选择AB进行斩控形成中间环节的高频脉冲。当双向开关1、6导通，3、4关断时，中间环节为正脉冲；当双向开关3、4导通，1、6关断时，中间环节为负脉冲；当双向开关1、4导通且3、6关断时，或者3、6导通且1、4关断时，中间环节为零。当然，为了保证斩波出的各个脉冲的伏秒平衡，需要实时检测输入电压的瞬时值并根据电压的大小计算出每个脉冲的占空比，从而达到每个脉冲的伏秒积相同。
经过本步骤的处理，则产生了各个脉冲的脉宽并不固定但伏秒积相同的高频脉冲序列，其波形可参见图10a。
步骤903：变压器对第一级AC/AC转换器产生的高频脉冲序列进行隔离，输出至第二级AC/AC转换器。
需要说明的是，本发明可以进一步实现多种频率输出，以便根据实际需要连接不同频率的多个负载。因此，在图7中，是将具有图6b所示结构的多个第二级AC/AC转换器与变压器分别相连。这样，在本步骤中，可以根据实际需要，变压器的输出被输出到指定的第二级AC/AC转换器。
步骤904：第二级AC/AC转换器中，将变压器输出的高频脉冲序列转换为基波频率为所需输出频率的脉冲序列。
在本步骤中，具体是通过控制第二级AC/AC转换器中的两个双向开关，该两个双向开关的开关频率等于所需输出频率，将变压器输出的高频脉冲序列转换为基波频率为所需输出频率的脉冲序列。过程包括：当变压器原边为正脉冲时，双向开关11导通，输出正脉冲，双向开关12导通后，输出零脉冲；当变压器原边为负脉冲时，双向开关11导通，输出负脉冲，双向开关12导通后，输出零脉冲。这样通过选择双向开关的开通方式，将高频的交流脉冲变换为低频的脉冲串，其输出波形的基波频率为所需要的输出频率。经过本步骤处理后的波形可以参见图10b。
步骤905：LC滤波器对第二级AC/AC转换器输出的脉冲序列进行滤波，得到具有所需输出频率的交流电输出。
实施例2：
本实施例2是利用图8所示结构的电源转换器来进行输入/输出频率转换。
图11是在本发明实施例2中进行输入/输出频率转换的流程图。参见图8和图11，利用图8所示结构的本发明电源转换器，进行输入/输出频率转换的过程具体包括以下步骤：
步骤1101：来自电网的三相交流电A、B、C分别输入到第一级AC/AC转换器中由IGBT代替常用的三相二极管组成的不控整流桥中的每一相。
步骤1102：对三相交流电进行全波整流。
参见图8，本步骤的具体实现包括：在第一级AC/AC转换器的整流模块中，控制6个单向开关的导通和关断，每一个单向开关的开关频率为电网频率(50Hz)，从而完成了对三相交流电输入的全波整流。
比如，当前AB相的线电压输入最高时，在整流模块中，IGBT101和IGBT601导通，开关频率为电网频率(50Hz)，其他4只IGBT关断，这时得到的电压为AB的电压；在当前BC相的线电压输入最高时，在整流模块中，IGBT301和IGBT201导通，开关频率为电网频率(50Hz)，其他4只IGBT关断，这时得到的电压为BC的电压；其它时候依此类推。
本步骤中，利用第一级AC/AC转换器中的整流模块进行了全波整流，输出的波形如图12所示，该波形的频率为电网频率(50Hz)。
步骤1103：第一级AC/AC转换器中的斩波模块根据各个脉冲的伏秒积相同的原则对整流后的波形进行高频斩波，产生高频脉冲序列。
参见图8，本步骤中具体是通过控制斩波模块中的4个单向开关的导通和关断，以及根据各个脉冲的伏秒积相同的原则控制该4个单向开关的开关频率即导通时间，从而最终产生高频脉冲序列。该4个单向开关工作于高速开关状态。
输入到变压器原边的能量(即各个脉冲的伏秒积)必须相同，在现有技术中，由于是对直流电进行高频斩波，因此，产生的是脉宽固定的高频脉冲序列(参见上述步骤202)。而在本发明中，由于第一级AC/AC转换器直接对图10a所示的整流波形进行高频斩波，因此，为了保证产生并输入到变压器原边的高频脉冲序列的各个脉冲的伏秒积相同，需要根据整流后波形对应的输入电压实时地计算出导通开关的导通时间，也就是说，电压值高的脉冲，其脉宽小(即对应的开关的导通时间短)，电压值低的脉冲，其脉宽长(即对应的开关的导通时间长)。
比如，参见图8，当IGBT7和IGBT10导通且IGBT8和IGBT9关断时，输出正脉冲；当IGBT8和IGBT9导通且IGBT7和IGBT10关断时，输出负脉冲；当IGBT7和IGBT8导通且IGBT9和IGBT10关断时，或者IGBT9和IGBT10导通且IGBT7和IGBT8关断时，输出零电压。斩波模块中的所有开关IGBT均工作在高速开关状态，以便实现高频斩波。
经过本步骤的处理，则产生了各个脉冲的脉宽并不固定但伏秒积相同的高频脉冲序列，其波形可参见图10b。
步骤1104：变压器对第一级AC/AC转换器产生的高频脉冲序列进行隔离，输出至第二级AC/AC转换器。
需要说明的是，本发明可以进一步实现多种频率输出，以便根据实际需要连接不同频率的多个负载。因此，在图8中，是将具有图6b所示结构的多个第二级AC/AC转换器与变压器分别相连。这样，在本步骤中，可以根据实际需要，变压器的输出被输出到指定的第二级AC/AC转换器。
步骤1105：第二级AC/AC转换器中，将变压器输出的高频脉冲序列转换为基波频率为所需输出频率的脉冲序列。
在本步骤中，具体是通过控制第二级AC/AC转换器中的两个双向开关，该两个双向开关的开关频率等于所需输出频率，将变压器输出的高频脉冲序列转换为基波频率为所需输出频率的脉冲序列。过程包括：当变压器原边为正脉冲时，双向开关11导通，输出正脉冲，双向开关12导通后，输出零脉冲；当变压器原边为负脉冲时，双向开关11导通，输出负脉冲，双向开关12导通后，输出零脉冲。这样通过选择双向开关的开通方式，将高频的交流脉冲变换为低频的脉冲串，其输出波形的基波频率为所需要的输出频率。经过本步骤处理后的波形可以参见图10c。
步骤1106：LC滤波器对第二级AC/AC转换器输出的脉冲序列进行滤波，得到具有所需输出频率的交流电输出。
需要说明的是，在本发明的上述实施例中，所有的开关使用的都是IGBT，在实际的业务实现中，也可以使用其他开关代替IGBT，比如使用N MOS管代替本发明上述实施例中的IGBT等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (11)
1.一种电源转换器，其特征在于，包括：
第一级AC/AC转换器，对来自电网的三相交流电进行整流，以及根据各个脉冲的伏秒积相同的原则对整流波形进行高频斩波，产生高频脉冲序列；
变压器，对第一级AC/AC转换器产生的高频脉冲序列进行隔离，输出至第二级AC/AC转换器；
第二级AC/AC转换器，将变压器输出的高频脉冲序列转换为基波频率为所需输出频率的脉冲序列；
LC滤波器，对第二级AC/AC转换器输出的脉冲序列进行滤波，得到具有所需输出频率的交流电。
2.根据权利要求1所述的电源转换器，其特征在于，
所述第一级AC/AC转换器中包括由6个双向开关组成的三相桥式电路，该6个双向开关均工作于高速开关状态，来自电网的三相交流电输入分别连接到三相桥式电路中的每一相；该6个双向开关通过执行导通和关断，实时选择三相交流电输入中线电压最高的两相，同时根据斩波出的各个脉冲的伏秒积相同的原则控制每一个双向开关的开关频率，产生出高频脉冲序列。
3.根据权利要求1所述的电源转换器，其特征在于，所述第一级AC/AC转换器中包括整流模块和斩波模块，
整流模块包括由6个单向开关组成的三相桥式电路，来自电网的三相交流电输入分别连接到三相桥式电路中的每一相；该6个单向开关通过执行导通和关断，对三相交流电输入进行全波整流，该6个单向开关的开关频率为电网频率，整流后波形输出至斩波模块；
斩波模块包括由4个单向开关组成的H桥，该4个单向开关均工作于高速开关状态，该4个单向开关通过执行导通和关断，以及根据斩波出的各个脉冲的伏秒积相同的原则控制该4个单向开关的开关频率，产生出高频脉冲序列。
4.根据权利要求1所述的电源转换器，其特征在于，所述第二级AC/AC转换器中包括2个双向开关，该2个双向开关中的每一个双向开关的一端与变压器副边相连，另一端连接到一起与LC滤波器中的电感L的一端连接，该电感L的另外一端和跨接在变压器副边中间抽头的LC滤波器中的电容C连接，通过控制该2个双向开关的导通和关断，且控制该2个双向开关的开关频率为所需的输出频率，产生出基波频率为所需输出频率的脉冲序列。
5.根据权利要求1所述的电源转换器，其特征在于，所述第二级AC/AC转换器中包括2个双向开关，该2个双向开关中的每一个双向开关的一端与变压器副边相连，另一端连接到一起与LC滤波器中的电感L的一端连接，电感L的另外一端和跨接在变压器副边的LC滤波器中的电容C连接，通过控制该2个双向开关的导通和关断，且控制该2个双向开关的开关频率为所需的输出频率，产生出基波频率为所需输出频率的脉冲序列。
6.根据权利要求1所述的电源转换器，其特征在于，所述第二级AC/AC转换器中包括以全桥整流的方式连接在一起的4个双向开关，该4个双向开关中的每个双向开关的一端与变压器副边连接，另外一端相互两两连接，并分别与LC滤波器连接，通过控制该4个双向开关的导通和关断，且控制该4个双向开关的开关频率为所需的输出频率，产生出基波频率为所需输出频率的脉冲序列。
7.根据权利要求2至6中任意一项所述的电源转换器，其特征在于，当所述开关为IGBT时，任意一个双向开关为：
两个IGBT的发射极相连所形成的双向开关；
或者，
两个IGBT的集电极相连形成的双向开关；
或者，
一个IGBT的集电极接到单相二极管整流桥的正极，发射极接到单相二极管整流桥的负极所形成的双向开关。
8.一种进行输入/输出频率转换的方法，其特征在于，应用于包括第一级AC/AC转换器、变压器、第二级AC/AC转换器以及LC滤波器的电源转换器中，包括：
A、由第一级AC/AC转换器对来自电网的三相交流电进行整流，并且根据各个脉冲的伏秒积相同的原则直接对整流波形进行高频斩波，产生高频脉冲序列；
B、由变压器对第一级AC/AC转换器产生的高频脉冲序列进行隔离；
C、由第二级AC/AC转换器将变压器产生的高频脉冲序列转换为基波频率为所需输出频率的脉冲序列；
D、由LC滤波器对第二级AC/AC转换器输出的脉冲序列进行滤波，得到具有所需输出频率的交流电。
9.根据权利要求8所述的进行输入/输出频率转换的方法，其特征在于，所述第一级AC/AC转换器中包括由6个双向开关组成的三相桥式电路，该6个双向开关均工作于高速开关状态，来自电网的三相交流电输入分别连接到三相桥式电路中的每一相；
所述步骤A包括：通过控制第一级AC/AC转换器中6个双向开关的导通和关断，实时选择三相交流电输入中线电压最高的两相，同时根据斩波出的各个脉冲的伏秒积相同的原则控制该6个双向开关的开关频率，产生出高频脉冲序列。
10.根据权利要求8所述的进行输入/输出频率转换的方法，其特征在于，所述第一级AC/AC转换器中包括整流模块和斩波模块，整流模块包括由6个单向开关组成的三相桥式电路，来自电网的三相交流电输入分别连接到三相桥式电路中的每一相；斩波模块包括由4个单向开关组成的H桥，该4个单向开关均工作于高速开关状态，
在步骤A中，所述进行整流的步骤包括：通过控制整流模块中的6个单向开关的导通和关断，并控制该6个单向开关的开关频率为电网频率，对三相交流电输入进行全波整流；
在步骤A中，所述进行高频斩波的步骤包括：通过控制斩波模块中4个单向开关的导通和关断，并根据斩波出的各个脉冲的伏秒积相同的原则控制该4个单向开关的开关频率，对整流模块输出的整流波形进行高频斩波。
11.根据权利要求8、9或10所述的进行输入/输出频率转换的方法，其特征在于，所述第二级AC/AC转换器中包括2个双向开关，该2个双向开关中的每一个双向开关的一端与变压器副边相连，另一端连接到一起与LC滤波器中的电感L的一端连接，该电感L的另外一端和跨接在变压器副边中间抽头的LC滤波器中的电容C连接；或者，所述第二级AC/AC转换器中包括2个双向开关，该2个双向开关中的每一个双向开关的一端与变压器副边相连，另一端连接到一起与LC滤波器中的电感L的一端连接，电感L的另外一端和跨接在变压器副边的LC滤波器中的电容C连接；或者，所述第二级AC/AC转换器中包括以全桥整流的方式连接在一起的4个双向开关，该4个双向开关中的每个双向开关的一端与变压器副边连接，另外一端相互两两连接，并分别与LC滤波器连接；
所述步骤C包括：通过控制所述第二级AC/AC转换器中各个双向开关的导通和关断，且控制该各个双向开关的开关频率为所需的输出频率，产生出基波频率为所需输出频率的脉冲序列。
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