CN102291014A - 交流斩波-全桥整流的ac-dc变换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电力电子变换技术领域的交流斩波-全桥整流的AC-DC变换器，包括：依次串联的降压电路和整流电路或阻抗变换电路，降压电路通过交流斩波器将高压工频交流电压转变为高压高频脉冲交流电压 ，并通过降压变压器降压得到低压高频脉冲交流电压；整流电路或阻抗变换电路对输出的低压高频脉冲交流电压进行整流，得到稳定的直流输出和线性输入阻抗，反射到高压交流电网后，得到线性输入阻抗和单位输入功率因数。本发明通过降压电路和整流电路实现高压交流电压到低压直流电压的变换，具有功率器件少、总体结构简单、整体性能更加完善之优点。

Description

交流斩波-全桥整流的AC-DC变换器

技术领域

本发明涉及的是一种电力电子变换技术领域的装置，具体是一种交流斩波-全桥整流的AC-DC变换器。

背景技术

电力电子变压器主要由电力电子变换器、高频变压器和控制器等组成。其中包括：IGBT或IGCT等高频大功率电力电子器件的电力电子变换器是电力电子变压器的核心，其功能是完成电能的频率、幅值转换；高频变压器的功能是隔离及变压；控制器的功能是实现对电能变换、电压稳定和电能质量的控制。

经过对现有技术的检索发现，中国专利申请号02139030.4，公开日：2003.03.12.记载了一种“电力电子变压器”，该技术电力电子变压器基于三相-三相矩阵变换器结构，中间环节非常复杂，实现难度非常高，经济性较低，难以实现和推广应用。

进一步检索发现，中国专利申请号200910025824.3，公开日：2009.11.04.记载了一种“多功能电力电子变压器”，该技术的电力电子变压器功能齐全，但是结构十分复杂，控制难度非常高，可行性较低，难以实现和获得广泛应用。

WANG JUN等，“智能电网技术”. IEEE Trans. on Industry Electronics Magzine（工业电子杂志).2009 年6月.记载了一种“基于传统思想的电力电子变压器技术”，该技术具有较强的功能，但是高压端具有两级变换器，结构十分复杂，控制难度非常高，可行性较低。

电力电子变压器主要由初、次级功率变换器以及联系二者之间的高频变压器构成。从电力电子变压器的输入输出特性看，相当于AC/AC变换。其基本工作原理为输入的工频电压经过原边变换器调制为高频交流电压，通过高频变压器耦合至副边，再通过副边的功率变换器将其转换为所要求的电压。电力电子变压器具有体积小、功率因数高、便于自动监控等优点。

传统上，电力电子变压器最终需要产生交流电压输出，但是其中间环节必须包含有直流环节。另外，随着智能电网技术的发展，在配电领域中势必要出现一种高压交流输入-电压直流输出的应用场合，直接将高压交流电压引入到社区，可以进一步实现节能降耗，而且直流输出作为母线可以为各种逆变设备供电，包括各种变频家电和汽车充电设备，也可以作为公共接口而接入各种新型能源。直流输出的电力电子变压器作为传统电力电子变压器的一种类型，尚处于研究阶段，需要更好的电路拓扑、调制算法和控制理论的推出。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足和直流输出电力电子变压器的具体情况，提供一种交流斩波-全桥整流的AC-DC变换器，通过在网侧将输入工频交流调制为高频信号，经高频变压器耦合到二次侧后，在二次侧进行降压AC-DC变换，通过整流电路降频还原成直流电压，实现网侧的单位输入功率因数，抑制网侧谐波电流，后级可串联DC-AC电路，提供用户所需的交流电压。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：依次串联的降压电路和整流电路或阻抗变换电路，其中：降压电路通过交流斩波器将高压工频交流电压转变为高压高频脉冲交流电压，并通过降压变压器降压得到低压高频脉冲交流电压；整流电路或阻抗变换电路对输出的低压高频脉冲交流电压进行整流，得到稳定的直流输出和线性输入阻抗，反射到高压交流电网后，得到线性输入阻抗和单位输入功率因数。

所述的降压电路，包括依次相连的输入滤波器、交流斩波器、用于降压的高频变压器以及输出滤波器。

所述的用于降压电路的输入滤波器由一个LC滤波器组成，输入端与交流电源相连，输出端与交流斩波器的两个输入端相连。

所述的用于降压电路的交流斩波器仅含有一个双向开关，该双向开关由两个反向串联的逆导开关组成，逆导型开关为基本的开关，由一只IGBT管和一只二极管反向并联构成，双向开关的一端与输入滤波器的正极相连，另一端与高频变压器初级绕组的正极相连。交流斩波器可采用常规50%占空比的控制脉冲驱动，获得高频脉冲交流电压。

所述的用于降压电路的高频变压器，其初级绕组的正极与交流斩波器的双向开关的一端相连，负极与输入滤波器的负极相连，次级绕组与输出滤波器相连。

所述的用于降压电路的输出滤波器为一个输出滤波电容，跨接于高频变压器的输出端，与整流电路的两个输入端相连。

所述的整流电路，包括依次相连的升压电感、单相整流器和滤波电容。

所述的用于整流电路的升压电感为单只电感，一端分别与高频变压器的输出正极和输出滤波器的正极相连，另一端与单相整流器的一个输入端相连。

所述的用于整流电路的单相整流器由四只桥接的逆导型开关组成，形成两个桥臂，其另一输入端分别与高频变压器的输出负极和输出滤波器的负极相连。单相整流器可以采用所有单相整流器的调制算法和控制原理，也可以采用所有单相功率因数校正算法，如电压外环电流内环控制法、单周期算法、无输入电压检测的功率因数校正算法等，得到稳定直流输出电压和线性输入阻抗。

所述的用于整流电路的滤波电容为电解电容组，其正极与负极分别与单相整流器的输出正极和负极相连。

所述的整流电路也可以用常规阻抗变换电路代替，也可以实现网侧线性阻抗和单位输入功率因数

与现有技术相比，本发明具有以下效果：本发明用基于SiC IGBT的电力电子变压器代替传统配电变压器，采用电力电子变换技术对能量进行转换与控制。网侧功率变换环节只采用了两个功率器件，简化电路结构，降低制造成本，具有构思新颖、经济实用、系统体积小、环保效果好等优点。

附图说明

图1为本发明的电路原理图。

图2为交流斩波器中双向开关BS1的示意图。

图3为整流电路的替代电路。

图4为三相输入、输出并联的交流斩波-全桥整流的AC-DC变换器的示意图。

图5为输入串联、输出串联的交流斩波-全桥整流的AC-DC变换器的示意图。

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：降压电路1和与之相连的整流电路2，其中：降压电路1中将高压工频交流电压转换成低压高频交流电压。整流电路2中，将低压高频交流电压转换为低压直流电压，并获得线性输入阻抗和线性网侧阻抗，保证良好的网侧功率因数。

所述的降压电路1，包括依次相连的输入滤波器、交流斩波器BS1、用于降压的高频变压器T1以及输出滤波器C2。

所述的用于降压电路的1输入滤波器由一个LC滤波器组成（图中L1与C1所示），输入端与交流电源相连，输出端与交流斩波器BS1的两个输入端相连。

如图2所示，所述的用于降压电路1的交流斩波器BS1仅含有一个双向开关，该双向开关由两个反向串联的逆导开关S1和S2组成，逆导型开关为基本的开关，由一只IGBT管和一只二极管反向并联构成，双向开关的一端与输入滤波器的正极相连，另一端与高频变压器T1初级绕组的正极相连。交流斩波器可采用常规50%占空比的控制脉冲驱动，获得高频脉冲交流电压。

所述的用于降压电路1的高频变压器T1，其初级绕组的正极与交流斩波器BS1双向开关的一端相连，负极与输入滤波器的负极相连，次级绕组与输出滤波器C2相连。

所述的用于降压电路1的输出滤波器C2为一个输出滤波电容，跨接于高频变压器T1的输出端，与整流电路2的两个输入端相连。

所述的整流电路2，包括依次相连的升压电感L2、单相整流器（图中S1~S4所示）和滤波电容E1。

所述的用于整流电路2的升压电感L2为单只电感，一端分别与高频变压器T1的输出正极和输出滤波器C2的正极相连，另一端与单相整流器（图中S1~S4所示）的一个输入端相连。

所述的用于整流电路2的单相整流器（图中S1~S4所示）由四只桥接的逆导型开关组成，形成两个桥臂，其另一输入端分别与高频变压器T1的输出负极和输出滤波器C2的负极相连。单相整流器可以采用所有单相整流器的调制算法和控制原理，也可以采用所有单相功率因数校正算法，如电压外环电流内环控制法、单周期算法、无输入电压检测的功率因数校正算法等，得到稳定直流输出电压和线性输入阻抗。

所述的用于整流电路2的滤波电容C2为电解电容组，其正极与负极分别与单相整流器（图中S1~S4所示）的输出正极和负极相连。

如图3所示，所述的整流电路2也可以用常规阻抗变换电路代替，包括依次串联的二极管不控整流器和升压电路，也可以实现网侧线性阻抗和单位输入功率因数。

本实施例中所述的降压电路1和整流电路2构成了电力电子变压器，其作用是通过提升高频变压器T1的AC/AC变换工作频率，来实现相比常规变压器体积减少、重量变轻的目标以及单位输入功率因数、无谐波电流污染的目标，从而大大减少无源器件的尺寸和重量。

本实例中：单相交流输入电压为10kV，交流斩波器BS1、高频变压器T1以及整流电路等构成的AC-DC变换器，将10kV交流电压变换为直流400V电压，高频变压器T1以及前级电路需要承受10kV电压等级，高频变压器T1后级电路需要承受400V电压等级。 

实施例2

如图4所示，三相输入、输出并联的交流斩波-全桥整流的AC-DC变换器的示意图。其中每个交流斩波-全桥整流的AC-DC变换器的输入端分别于三相交流电的任意两相相连，该三组交流斩波-全桥整流的AC-DC变换器的输出端并联且输出直流电压。

本实施例能够避免变压器励磁饱和，支持更大的功率输出。

实施例3

如图5所示，输入串联、输出串联的交流斩波-全桥整流的AC-DC变换器的示意图。由三组相同结构的交流斩波-全桥整流的AC-DC变换器组成，该三组交流斩波-全桥整流的AC-DC变换器的输入端串联，输出端串联并输出直流电压。

本实施例能够避免变压器励磁饱和，实现高电压输入和更大的功率输出。

本装置采用降压电路和整流电路后，可以使得电力电子变换器的网侧工作在单位功率因数下，消除谐波电流对电网的污染，同时使得整流电路之前线路上各点的无功电流含量降至零点，有利于简化电路设计、降低成本、增加效率和提高可靠性。同时由于降压电路和整流电路结构简单，控制算法成熟，实现起来非常容易，便于产品化和推广应用。降压电路引入了斩波变换结构，可以采用常规50%占空比的斩波算法，实现高压工频交流电压到高压高频交流电压变换，电路仅含有一个双向开关，功率器件数量少，结构精简，成本大大降低，控制也更加简便；整流电路采用单相整流器实现AC-DC变换，并可获得负载侧单位输入功率因数，反射到高压交流电网中，得到网侧线性输入阻抗和单位输入功率因数。本例电力电子变换器还可以推广到三相高压交流电压输入-低压直流输出的应用场合。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种交流斩波-全桥整流的AC-DC变换器，包括：依次串联的降压电路和整流电路或阻抗变换电路，所述的降压电路包括依次相连的输入滤波器、交流斩波器、用于降压的高频变压器以及输出滤波器；

所述的整流电路包括依次相连的升压电感、单相整流器和滤波电容；

其中：降压电路通过交流斩波器将高压工频交流电压转变为高压高频脉冲交流电压，并通过降压变压器降压得到低压高频脉冲交流电压；整流电路或阻抗变换电路对输出的低压高频脉冲交流电压进行整流，得到稳定的直流输出和线性输入阻抗，反射到高压交流电网后，得到线性输入阻抗和单位输入功率因数。

2.根据权利要求1所述的交流斩波-全桥整流的AC-DC变换器，其特征是，所述的用于降压电路的输入滤波器由一个LC滤波器组成，输入端与交流电源相连，输出端与交流斩波器的两个输入端相连。

3.根据权利要求1所述的交流斩波-全桥整流的AC-DC变换器，其特征是，所述的交流斩波器仅含有一个双向开关，该双向开关由两个反向串联的逆导开关组成，双向开关的一端与输入滤波器的正极相连，另一端与高频变压器初级绕组的正极相连，交流斩波器采用50%占空比的控制脉冲驱动，获得高频脉冲交流电压。

4.根据权利要求3所述的交流斩波-全桥整流的AC-DC变换器，其特征是，所述的逆导开关由一只IGBT管和一只二极管反向并联构成。

5.根据权利要求1所述的交流斩波-全桥整流的AC-DC变换器，其特征是，所述的高频变压器，其初级绕组的正极与交流斩波器双向开关的一端相连，负极与输入滤波器的负极相连，次级绕组与输出滤波器相连。

6.根据权利要求1所述的交流斩波-全桥整流的AC-DC变换器，其特征是，所述的输出滤波器为一个输出滤波电容，跨接于高频变压器的输出端，与整流电路的两个输入端相连。

7.根据权利要求1所述的交流斩波-全桥整流的AC-DC变换器，其特征是，所述的升压电感为单只电感，一端分别与高频变压器的输出正极和输出滤波器的正极相连，另一端与单相整流器的一个输入端相连。

8.根据权利要求1所述的交流斩波-全桥整流的AC-DC变换器，其特征是，所述的单相整流器由四只桥接的逆导型开关组成，形成两个桥臂，其另一输入端分别与高频变压器的输出负极和输出滤波器的负极相连。

9.根据权利要求1所述的交流斩波-全桥整流的AC-DC变换器，其特征是，所述的用于整流电路的滤波电容为电解电容组，其正极与负极分别与单相整流器的输出正极和负极相连。

10.根据权利要求1所述的交流斩波-全桥整流的AC-DC变换器，其特征是，所述的阻抗变换电路包括依次串联的二极管不控整流器和升压电路。

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