CN102412731A

CN102412731A - 斩波式交流调压器

Info

Publication number: CN102412731A
Application number: CN201010289459XA
Authority: CN
Inventors: 樊远征
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-09-25
Filing date: 2010-09-25
Publication date: 2012-04-11

Abstract

一种斩波式交流调压器，包括采用斩波式交流调压和增设电感自然换流通路两项相互关联的技术方案。根据需要，本发明斩波式交流调压器可以同时采用上述两个技术方案；也可以仅取第一个技术方案。本发明斩波式交流调压器实现了高正弦度、低谐波的交流调压功能，其成本和控制策略明显优于AC/AC变换器。

Description

斩波式交流调压器

技术领域

本发明涉及一种用于大功率交流调压的AC/AC变换器，尤其涉及一种斩波式交流调压器。

背景技术

双向可控硅交流调压是近代工业自动化系统的重要组成部份，在冶金、化工、机械制造、交通运输等各方面都得到广泛的应用。双向可控硅交流调压的基本原理是利用可控硅通断改变交流电压的非正弦度实现交流调压，这种双向可控硅交流调压的缺点是向电网输送高次谐波和无功功率，破坏电网品质，增加电力设备损耗和线路损耗，成为电网系统重要的污染源。

近几年来，工程技术人员十分重视研究AC/AC变换器，用新技术实现大功率交流调压，以期替代双向可控硅交流调压。其中一个重要的研究方向是基于DC/DC变换器拓扑的斩波型交流变换器，有多种可选方案，其基本思路是通过具有单向导通功能的功率开关管和二极管组合成斩波交流变换器，问题是目前的斩波变换器存在着使用功率器件较多、控制较复杂等缺点，一定成度上影响着斩波交流变换器的工业化应用。

发明内容

1.技术问题：本发明要解决的技术问题是提供一种解决现有斩波交流变换器的功率器件较多、控制策略较复杂等技术难题的斩波式交流调压器。

2.技术方案：

为解决上述技术问题本发明提出属于一个总发明构思的二个相互关联的技术方案，用于阻容负载交流斩波调压时，即可以采用方案一，亦可采用两个方案；用于电感负载交流斩波调压时，采用两个方案。

第一项斩波式交流调压方案

本发明斩波式交流调压器，是一种高正弦度、低高次谐波的斩波式交流调压装置，其特征是用于交流斩波调压的双向功率开关一端连接交流输入电源的一端，另一端连接负载和滤波电容的一端，负载和滤波电容的另一端连接交流输入电源的另一端。

本发明斩波式交流调压器控制策略的特征是：(1)在输入电压过零时刻才允许改变PWM的占控比；(2)利用双向功率开关依据输入电压极性自主互补通断的性质(即在输入电压极性作用下，双向功率开关中只有一只功率开关管满足开通PWM的条件，而另一只功率开关管不满足开通PWM的性质)，采用两只功率开关管共用一路PWM控制信号的控制策略。

第二项增设电感自然换流通路方案

本发明斩波式交流调压器增设电感自然换流通路，其特征是在方案一的基础上，增设一个用于电感自然换流通路的双向功率开关。用于电感自然换流通路的双向功率开关的一端连接滤波电感的一端，用于电感自然换流通路的双向功率开关的另一端与负载和滤波电容的另一端及交流输入电压的另一端连接在一起。

本发明斩波式交流调压器增设电感自然换流通路控制策略的特征是，用输入电源电压的极性控制用于电感自然换流通路的双向功率开关中的两只功率开关管互补通断。当输入电压极性为正时一只功率开关管恒通，另一只功率开关管恒断变成二极管；反之，当输入电压极性为负时，另一只功率开关管恒通，一只功率开关管恒断变成二极管。

本发明方案一和方案二中使用的双向功率开关均为组合器件，均由两只功率开关管串联得到的，一只功率开关管的漏极与另一只功率开关管的漏极相连，一只功率开关管的源极为双向功率开关的一端，另一只功率开关管为双向功率开关的另一端。

3.有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

(1)实现高度正弦交流调压；

(2)比现有AC/AC变换电路中使用的功率器件少，电路成本大幅度降低；

(3)外接负载是电容或电阻时使用的功率器件更少，电路成本更低。

(4)比现有AC/AC变换电路的控制策略简单、可靠；

(6)输入电压为零时允许改变PWM占空比，避免了在改变PWM占空比时发生的高次谐波。

附图说明

图1是本发明斩波式交流调压器使用的双向功率开关的构造示意图，图2～3中的双向开关S1，图3～5中的双向功率开关S1和S2都是使用此种方式构造的双向功率开关。

图2是本发明的斩波式交流调压器示意图，图中的标号名称：S1是用于交流斩波的双向功率开关。

图3是本发明斩波式交流调压器中开关模态示意图。

图4是本发明用于电感负载斩波式交流调压示意图，图中的标号名称：S1是用于交流斩波的双向功率开关，S2是用于电感自然换流通路的双向功率开关。

图5是本发明用于电感负载斩波式交流调压中各开关的模态示意图。

图6是本发明斩波式交流调压器的重要波型图。

图7是本发明斩波式交流调压器采用的控制框架。

上述附图中的主要符号名称：C——滤波电容；L——滤波电感；S1～S2——双向功率开关，V1～V2——功率开关管；ui——交流输入电源电压；Load——负载。

具体实施方式

参照附图详细说明两个技术方案的实施例：

1、关于方案一——斩波式交流调压器的实施例：

斩波式交流调压器的原理图，如图2所示，双向功率开关S1的一端连接交流输入电源的一端，双向功率开关S1的另一端连接负载Load和滤波电容C的一端，负载Load和滤波电容C的另一端连接交流输入电源的另一端。

如图1所示，本实施例所用双向功率开关S1，由两只功率开关管串联得到的，功率开关管V1的漏极与功率开关管V2的漏极相连，功率开关管V1的源极为双向功率开关的一端，功率开关管V2为双向功率开关的另一端。

下面以图2所示交流斩波调压电路方案，结合图3来叙述本实施例的斩波交流调压器的具体工作原理和工作模态，对应的电路关键波形见附图6(a)。

(1)工作模态I

如图3(a)所示，在输入电源电压ui为大于零的正半周的作用下，双向功率开关S1中的功率开关管V1自主开通PWM信号，功率开关管V2自主关断变为寄生二极管，电路进入正半周交流斩波工作状态。

(2)工作模态II

如图3(b)所示，在输入电源电压ui为小于零的负半周的作用下，双向功率开关S1中的功率开关管V2自主开通PWM信号，功率开关管V1自主关断变为寄生二极管，电路进入负半周交流斩波工作状态。

本实施例采用的控制策略是：(1)采样输入电源电压ui变换成输入电压过零信号uio(当uoi＝0瞬时，过零信号uio＝1，否则，uio≠0时，uio＝0)，用输入电压过零信号uio锁定PWM信号，只允许当uoi＝0时改变PWM的占控比。(2)将PWM信号隔离后接入双向功率开关S1的功率开关管V1与功率开关管V2，输入电源电压ui为正极性时功率开关管V1自主开通PWM信号有效，而V2自主关断PWM信号控制无效；输入电源电压ui为负极性时功率开关管V2自主开通PWM信号有效，而V1自主关断PWM信号控制无效。

2、关于方案二——增设电感自然换流通路的实施例：

一种用于电感负载斩波式交流调压器，如图4所示，其特征是在方案一斩波式交流调压器的基础上增设电感自然换流通路电路，就是电路中包括了用于交流斩波的双向功率开关S1和用于电感自然换流通路的双向功率开关S2。用于交流斩波的双向功率开关S1的一端连接交流输入电源的一端，双向功率开关S1的另一端连接滤波电感L的一端，滤波电感L的另一端连接负载Load和滤波电容C的一端，负载Load和滤波电容C的另一端连接交流输入电源的另一端。用于电感自然换流通路的双向功率开关S2的一端连接滤波电感L的一端，双向功率开关S2的另一端与负载Load和滤波电容C的另一端及交流输入电源另一端连接。

如图1所示，增设电感自然换流通路电路方案中用于交流斩波的的双向功率开关S1和用于电感自然换流通路的双向功率开关S2，均由两只功率开关管串联得到的，功率开关管V1(V3)的漏极与功率开关管V2(V4)的漏极相连，功率开关管V1(V3)的源极为双向功率开关的一端，功率开关管V2V2(V4)为双向功率开关的另一端。

下面以图4所示增设电感自然换流通路电路方案，结合图5来叙述本实施例的增设电感自然换流通路电路的具体工作原理和工作模态，对应的电路关键波形见附图6(b)。

输入电源电压ui为大于零的正半周，双向功率开关S1中的功率开关管V1自主开通PWM，功率开关管V2自主关断变为寄生二极管，电路处于正半周交流斩波工作状态；此时输入电压极性uiL＝1，在输入电压极性uiL控制下，，双向功率开关S2中的功率开关管V3恒断变为寄生二极管，功率开关管V4恒通，电路处于正半周电感自然换流通路状态。

(1)工作模态I

如图5(a)所示，功率开关管V1导通，功率开关管V2自主关断寄生二极管导通，功率开关管V3恒断，功率开关管V4恒通，滤波电感L的电流线性上升，简易斩波交流调压器B类电路输出电平(滤波前)为ui。

工作模态I的等效电路，如图5(b)所示。

(2)工作模态II

如图5(c)所示，功率开关管V1关断，功率开关管V2自主关断，功率开关管V3恒断寄生二极管导通功率开关管V4恒通，滤波电感L的电流iL线性下降，简易斩波交流调压器B类电路输出电平(滤波前)为0。

工作模态II的等效电路，如图5(d)所示。

输入电源电压ui为小于零的负半周，双向功率开关S1中的功率开关管V2自主开通PWM，功率开关管V1自主关断变为寄生二极管，电路处于负半周交流斩波工作状态；此时输入电压极性uiL＝0，在输入电压极性uiL控制下，，双向功率开关S2中的功率开关管V4恒断变为寄生二极管，功率开关管V3恒通，电路处于好负半周电感自然换流通路状态。

(3)工作模态III

如图5(e)所示，功率开关管V2导通，功率开关管V1自主关断寄生二极管导通，功率开关管V4恒断，功率开关管V3恒通，滤波电感L的电流-iL线性上升，简易斩波交流调压器B类电路输出电平(滤波前)为-ui。

工作模态III的等效电路，如图5(f)所示。

(4)工作模态IV

如图3(g)所示，功率开关管V2关断，功率开关管V1自主关断，功率开关管V4恒断寄生二极管导通功率开关管V3恒通，滤波电感L的电流-iL线性下降，简易斩波交流调压器B类电路输出电平(滤波前)为0。

工作模态IV的等效电路，如图5(h)所示。

本实施例的控制策略是将用于交流斩波的双向功率开关S1与用于电感自然换流通路的双向功率开关S2分别独立控制，互不关联。用于交流斩波的双向功率开关S1控制策略是，(1)采样输入电源电压ui变换成输入电压过零信号uio(当uoi＝0瞬时，过零信号uio＝1，否则，uio≠0时，uio＝0)，用输入电压过零信号uio锁定PWM信号，只允许当uoi＝0时改变PWM的占控比。(2)将PWM信号隔离后接入双向功率开关S1的功率开关管V1与功率开关管V2，输入电源电压ui为正极性时功率开关管V1自主开通PWM信号有效，而V2自主关断PWM信号控制无效；输入电源电压ui为负极性时功率开关管V2自主开通PWM信号有效，而V1自主关断PWM信号控制无效。用于电感自然换流通路的双向功率开关S2提供电感续流通路，控制策略是用输入电源电压极性uiL控制双向功率开关S2中的V3和V4两只功率开关管互补通断，当输入电压极性uiL为正时功率开关管V4恒通而功率开关管V3恒断变成二极管，处于与输入电压为正相适应的电感自然换流通路；反之，当输入电压极性uiL为负时，功率开关管V3恒通，而功率开关管V4恒断变成二极管，处于与输入电压为负相适应的电感自然换流通路。

Claims

1.一种斩波式交流调压器，其电路结构特征是用于交流斩波调压的双向功率开关一端连接交流输入电源的一端，另一端连接负载和滤波电容的一端，负载和滤波电容的另一端连接交流输入电源的另一端。

2.一种斩波交流式调压器增设电感自然换流通路，其电路结构特征是在权力要求1的基础上，增设一个用于电感自然换流通路的双向功率开关，用于电感自然换流通路的双向功率开关的一端连接滤波电感的一端，用于电感自然换流通路的双向功率开关的另一端与负载和滤波电容的另一端及交流输入电压的另一端连接在一起。

3.本发明权力要求1和权力要求2中使用的双向功率开关均为组合器件，均由两只功率开关管串联得到的，一只功率开关管的漏极与另一只功率开关管的漏极相连，一只功率开关管的源极为双向功率开关的一端，另一只功率开关管为双向功率开关的另一端。

4.权力要求1所述斩波式交流调压器的控制策略特征是：(1)在输入电压过零时刻才允许改变PWM的占控比；(2)利用双向功率开关依据输入电压极性自主互补通断的性质，采用两只功率开关管共用一路PWM控制信号的控制策略。

5.权力要求2所述斩波式交流调压器的控制策略特征是：用输入电源电压的极性控制用于电感自然换流通路的双向功率开关中的两只功率开关管互补通断。当输入电压极性为正时一只功率开关管恒通，另一只功率开关管恒断变成二极管；反之，当输入电压极性为负时，另一只功率开关管恒通，一只功率开关管恒断变成二极管。