CN102163932A - 交流斩波的线性ac-dc变换器 - Google Patents

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Abstract

一种电工电子技术领域的交流斩波的线性AC-DC变换器，高频变换电路和阻抗变换电路，其中：高频变换电路的输出端与阻抗变换电路的输入端相连，所述的高频变换电路包括：依次级联的第一滤波电路、交流斩波电路、高频变压器以及第二滤波电路；所述的阻抗变换电路包括：整流桥和与之级联的升压电路，整流桥的两个桥臂的中点分别连接高频变换电路的两个交流输出端，升压电路的输出端输出直流电压。本发明输出稳定的直流电压，同时产生单位输入功率因数，实现灵活的调压能力和获得线性输入阻抗，克服电源与负载波动相互干扰的不足，具有设计构思新颖、通用性强等特征，同时具有结构简单、成本低的优点。

Description

交流斩波的线性AC-DC变换器
技术领域
本发明涉及的是一种电力电子技术领域的AC-DC变换器，具体是一种用于交流变换的交流斩波的线性AC-DC变换器。
背景技术
在电力电子技术领域，对于高压交流电压输入-低压交流或低压直流电压输出的应用场合，为了降低工频变压器尺寸，人们已经将注意力转移到电力电子变压器上，试图降低变压器尺寸、提高转换效率和节约用材。为了完成高压交流电压输入-低压交流输出，可以采用交-交变换器，也可以采用交-直-交两级变换器结构，其中交-直变换器部分可以独立成为产品，输出较低的直流电压，后级可再配置常规的直-交变换器，最终输出低压交流电压。采用电力电子变压器代替传统的电力变压器，有一个功能是不能跨越的，即降压功能，也就是需要将工频高压交流电压转换为高频交流电压，为此可以采用多种方法，其中一种就是采用交-交变换器的方法实现工频高压交流电压到高频低压交流电压的转换。但是如果不加以正确处理，工频高压交流电源就会出现功率因数不为1的情况，大量的谐波电流会产生非常多种的危害，为此必须加以处置。
交-交变换器主要有两种类型：直接交-交变换器和间接交-交变换器，直接交-交变换器包括矩阵变换器和周波变换器，间接交-交变换器包括交直交变换器。单相输入的直接交-交变换器的电路简单，控制容易，成本较低，但是其功能受限，调压与变频能力差，低压穿越能力差，输入功率因数低。三相输入的直接交-交变换器的功能齐全，性能高，但是其电路复杂，控制繁琐，成本高，低压穿越能力差。单相、三相输入的间接交-交变换器包括两级结构：前级AC-DC变换器和后级DC-AC变换器，其功能齐全，性能高，低压穿越能力强，但是需要采用初级功率因数校正器来降低网侧谐波电流。
经过对现有适合高压交流电压输入-低压交流或低压直流电压输出应用场合的交交变换器技术的检索发现，“基于单相矩阵变换器的非接触供电系统研究”(电力电子技术，2009年第11期43卷)和“基于矩阵变换器拓扑结构的调压器的设计实现”(上海师范大学学报，2009年第1期38卷)中描述的单相-单相交-交变换器的功能和性能较差，输出电压的变频调压能力和输入阻抗呈现非线性，很难推广到三相-单相变换器；中国专利号：02139030.4，专利名称：电力电子变压器，描述的电力电子变压器的拓扑和工作原理都及其复杂，应用难度非常高。
综上所述，直接交-交变换器存在控制复杂和输入功率因数低的不足，间接交-交变换器需要输入功率因数校正来降低网侧谐波干扰，均不能适用于高压交流输入-电压交流或低压直流输出的应用场合。随着实践应用的扩大，设计一种结构简单、功能全面、高输入功率因数的交-交变换器已成为本领域技术人员的当务之急。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种交流斩波的线性AC-DC变换器，使其实现交流-直流变换，具有线性输入阻抗，解决低压穿越问题，输出直流电压升降可调的功能，具有结构简单、控制容易和成本低廉的优点。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：高频变换电路和阻抗变换电路，其中：高频变换电路的输出端与阻抗变换电路的输入端相连。
所述的高频变换电路包括：依次级联的第一滤波电路、交流斩波电路、高频变压器以及第二滤波电路。
所述的第一滤波电路和第二滤波电路均为LC滤波器。
所述的交流斩波电路由两个双向开关组成，每个双向开关由两个共射极逆导开关组成，该双向开关的基极接收PWM脉冲控制信号。
所述的交流斩波电路的另一种结构为两组共射逆导开关组成的桥式结构，该桥式结构的两个桥臂的中点分别与高频变压器的两端相连，所述的逆导开关的基极接收PWM脉冲控制信号。
所述的阻抗变换电路包括：整流桥和与之级联的升压电路，其中：整流桥的两个桥臂的中点分别连接高频变换电路的两个交流输出端，升压电路的输出端输出直流电压。
所述的整流桥为二极管整流桥。
所述的升压电路包括：第三电感、第五逆导开关、二极管、电解电容和交流电容，其中：电解电容和交流电容分别跨接于升压电路的输出端，第三电感的一端与整流桥的输出正极相连，第三电感的另一端分别与第五逆导开关的集电极和二极管的阳极相连，第五逆导开关的发射极与整流桥的的输出负极相连，二极管的阴极为升压电路的输出端正极。
本发明通过以下方式进行工作：高频变换电路将工频交流输入电压斩波成高频交流电压，采用错相180°的高频等占空比的PWM脉冲控制信号分别驱动第一、第二双向开关，通过高频变压器变压和滤波电路滤波输出工频交流电压，阻抗变换电路输入该工频交流电压，输出稳定的直流电压，同时产生单位输入功率因数，反映到整个交流斩波的线性AC-DC变换器的输入端，呈现单位输入功率因数特征。阻抗变换电路采用输入电流与输出电压双闭环控制、单周期控制等算法，产生合适的PWM脉冲控制信号，驱动第三功率开关，获得阻性输入阻抗和稳定直流输出电压，形成交流斩波的线性AC-DC变换器，为后级DC-AC变换器供电，从而形成线性AC-AC变换器。
本发明根据高频交流调压可以降低变压器体积和阻抗变换能够获得线性阻抗的原理，制定了两级AC-DC变换器，可以实现灵活的调压能力和获得线性输入阻抗，克服直接交-交变换器电源与负载波动相互干扰的不足，适合高压输入-低压输出变换器的各种应用场合。具有设计构思新颖、通用性强等特征，同时具有结构简单、成本低等优点。
附图说明
图1为本发明的电路原理图。
图2为实施例2的电路原理图。
图3为实施例3的电路原理图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
如图1所示，本实施例包括：高频变换电路1和阻抗变换电路2，其中：高频变换电路1的输出端与阻抗变换电路2的输入端相连。
所述的高频变换电路1包括：依次级联的第一滤波电路L1、C1、交流斩波电路BS1、BS2、高频变压器T1以及第二滤波电路L2、C2。
所述的高频变压器T1为高频平面变压器，原边与副边漏感低于1μH；
所述的电感L1为铁粉芯材料，高压型，感值为5μH，电感L2为铁粉芯材料，感值为5μH；
所述的电容C1为CBB交流电容，高压型，2.0μF/10kV，电容C2为CBB交流电容2.0μF/600V；
所述的第一滤波电路和第二滤波电路均为LC滤波器；
所述的交流斩波电路由两个双向开关BS1、BS2组成，每个双向开关由两个共射极的逆导开关S1和S2以及S3和S4组成，该双向开关的基极接收PWM脉冲控制信号。
所述的逆导开关S1～S4为SiC功率MOSFET 15kV/5A/100℃，逆导开关S1与S2、S3与S4PWM驱动脉冲的占空比为50％或根据闭环控制结果可调，相位上交错角度180°，开关频率为5kHz；
所述的阻抗变换电路2包括：整流桥B1和与之级联的升压电路，其中：整流桥B1的两个桥臂的中点分别连接高频变换电路1的两个交流输出端，升压电路的输出端DCP和DCN输出直流电压；
所述的整流桥B1为二极管整流桥600V/20A/100℃；
所述的升压电路包括：第三电感L3、第五逆导开关S5、二极管D1、电解电容E1和交流电容C3，其中：电解电容E1和交流电容C3分别跨接于升压电路的输出端DCP和DCN之间，第三电感L3的一端与整流桥B1的第一桥臂的中点相连，第三电感L3的另一端分别与第五逆导开关S5的集电极和二极管D1的阳极相连，第五逆导开关S5的发射极与整流桥B1的第二桥臂的中点相连，二极管D1的阴极为升压电路的输出端正极DCP。
所述的逆导开关S5为IGBT 600V/20A/100℃；该逆导开关S5的占空比受控于闭环控制结果，开关频率为35kHz。
所述的二极管D1为SiC反向快速恢复型600V/20A/100℃；
所述的电解电容E1为铝电解电容680μF/200V；
所述的交流电容C3为CBB交流电容2.0μF/600V；
所述的电感L3为非晶体材料，采用平面结构，感值为500μH；
所述的高频变压器T1为高压型，降压型，变比为30∶1，初级圈数足够高，采用多个单绕组串联以提升耐压能力。
本实施例中，输入交流电压为6.0kV，输出直流电压为150V，额定输出功率为1.5kW。所有元器件均采用高精度。
实施例2
如图2所示，本实施例涉及一种组合式线性AC-DC变换装置，由三组相同结构的交流斩波的线性AC-DC变换器组成，其中每个交流斩波的线性AC-DC变换器的输入端分别与三相交流电的任意两相相连，该三组交流斩波的线性AC-DC变换器的输出端并联且输出直流电压。
本实施例能够实现更大的功率输出，同时具有三相线性输入阻抗特性。
实施例3
如图3所示，本实施例中所述的交流斩波电路为两组共射逆导开关组成的桥式结构，该桥式结构的两个桥臂的中点分别与高频变压器T1的两端相连。
所述的逆导开关S1-S4的基极接收PWM脉冲控制信号。
本装置采用一种结构与控制都简化的单相交交变换器即一种单相-单相矩阵变换器，实现由工频高压交流-高频低压交流的变换，采用高频平面变压器完成交流降压，再采用阻抗变换电路实现由工频低压交流-低压直流输出，获得稳定的直流电压输出，供后级直流-交流变换器适用，同时具有单位输入功率因数，这种单位输入功率因数又能通过单相交交变换器和高频变压器传导到电网，从而获得网侧单位功率因数和无谐波电流污染，同时整个电路非常简单，检测电量和被控电量少，控制器设计也并不负载，已经获得仿真分析和实验初步验证。而现有的几种方案的共同不足是：电路级联复杂，控制复杂，可行性较差。缺乏阻抗变换器，不能实现任一负载下的网侧单位功率因数，输入与输出相互干扰；难以构成三相工频高压交流电压-低压直流电压的变换器。

Claims (7)

1.一种交流斩波的线性AC-DC变换器，包括：高频变换电路和阻抗变换电路，其中：高频变换电路的输出端与阻抗变换电路的输入端相连，其特征在于：
所述的高频变换电路包括：依次级联的第一滤波电路、交流斩波电路、高频变压器以及第二滤波电路；
所述的阻抗变换电路包括：整流桥和与之级联的升压电路，其中：整流桥的两个桥臂的中点分别连接高频变换电路的两个交流输出端，升压电路的输出端输出直流电压。
2.根据权利要求1所述的交流斩波的线性AC-DC变换器，其特征是，所述的第一滤波电路和第二滤波电路均为LC滤波器。
3.根据权利要求1所述的交流斩波的线性AC-DC变换器，其特征是，所述的交流斩波电路由两个双向开关组成，每个双向开关由两个共射极逆导开关组成，该双向开关的基极接收PWM脉冲控制信号。
4.根据权利要求1所述的交流斩波的线性AC-DC变换器，其特征是，所述的交流斩波电路为两组共射逆导开关组成的桥式结构，该桥式结构的两个桥臂的中点分别与高频变压器的两端相连，所述的逆导开关的基极接收PWM脉冲控制信号。
5.根据权利要求1所述的交流斩波的线性AC-DC变换器，其特征是，所述的整流桥为二极管整流桥。
6.根据权利要求1所述的交流斩波的线性AC-DC变换器，其特征是，所述的升压电路包括：第三电感、第五逆导开关、二极管、电解电容和交流电容，其中：电解电容和交流电容分别跨接于升压电路的输出端，第三电感的一端与整流桥的第一桥臂的中点相连，第三电感的另一端分别与第五逆导开关的集电极和二极管的阳极相连，第五逆导开关的发射极与第二桥臂的中点相连，二极管的阴极为升压电路的输出端正极。
7.一种组合式线性AC-DC变换装置，其特征在于，由三组根据权利要求1-6中任一所述的交流斩波的线性AC-DC变换器组成，其中：每个交流斩波的线性AC-DC变换器的输入端分别与三相交流电的任意两相相连，该三组交流斩波的线性AC-DC变换器的输出端并联且输出直流电压。
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