CN104541443B - 用于非平衡的两相dc电网的整流电路和方法 - Google Patents

用于非平衡的两相dc电网的整流电路和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及使用磁耦合双反激转换器的整流方法和电路。主电路可以包括仅一个变压器、两个开关、两个低频二极管、两个高频二极管和两个电容器,使得电力固有地根据两个DC相上的需求进行分布,并且可以在没有复杂控制的情况下获取正弦电网电流。

Description

用于非平衡的两相DC电网的整流电路和方法
技术领域
本发明涉及用于提供交流(AC)供电网与诸如用于例如照明目的的DC微电网之类的直流(DC)电网之间的接口的整流电路和方法。
背景技术
将改变如何为楼宇供电的技术的汇聚正在发生。这些技术包括分布式发电资源(光伏面板、风力涡轮机、燃料电池、微型涡轮机等等)的持续迅速增长、高效照明技术(尤其是固态LED照明)的出现、无线楼宇自动化系统、由电气设施使用的楼宇能量的需求方管理等等。
固态照明连同包括太阳能面板和风能的其它基于DC的系统的出现已经鼓励多方追求基于DC的电力网,其消除浪费能量的低效的DC/AC和AC/DC功率转换。随着太阳能和风能的新装置和市场上的电动汽车的产量提升,AC/DC混合耦合电力网络可以消耗比现有系统减少多达30%的能量,要求比现有系统减少15%的资金并且比现有系统可靠200%。DC微电网的使用消除设备级的AC/DC转换,简化设备设计和布局,提供与可再生能源的经改进的接口并且节省能量。通过使混合AC-DC电力架构和DC微电网用于所占据的空间、数据中心、楼宇服务和室外应用,可以使楼宇更加可持续。
DC主干电网典型地包括具有正电压和负电压的两相DC电网,其中中性导体连接到地电位。正电压和负电压优选地具有相同的绝对值。负载要么仅连接到正电压要么仅连接到负电压,要么连接在正电压和负电压的总和上。
作为问题,AC供电网与DC微电网的两相DC主干网之间的接口必须同时服务若干不同功能。其必须对电压进行整流,创建AC电网中的正弦电流,提供AC中性导体以作为DC侧上的接地导体并且在不创建AC侧上的任何非对称性的情况下服务DC侧的两相上的非对称电力需求。针对这些需求的现有解决方案要求大的努力,例如多级转换器。
第一直接前向解决方案将是提供计及(account for)正半波和负半波上的对称负载的全桥整流器,随后是作为功率因子校正(PFC)转换器操作以创建正弦电流的升压转换器,随后是具有用于加DC相和减DC相的两个隔离输出以便能够服务非对称负载和将DC接地连接到AC中性的功率转换器。该解决方案要求许多组件。因此,该电路是不利的。
又一解决方案将是使用两个PFC电路:用于正半波的第一PFC服务正DC电压并且用于负半波的第二PFC服务负DC电压。该电路要求较少的组件,提供正弦AC电流和立即从AC中性到DC接地的连接。然而,DC相上的非对称负载导致正半波和负半波期间的非对称AC电流幅值。因此,该电路是不利的。
US 2010/0201285 A1描述了一种用于输入AC电压到DC电压的转换的电路装置。该电路装置可以包括将输入AC电压输入到其中的输入;负载可以连接到其的输出;以及第一存储电路和第二存储电路,每个存储电路包括至少一个电感并且各自包括至少一个电容,以及二极管网络。图7的实施例的存储电路包括相应的变压器。
发明内容
本发明的目标是提供用于DC电网的整流电路和方法,其要求很少的组件并且防止非对称AC电流。
该目标通过如权利要求1中所要求保护的电路和如权利要求9中所要求保护的方法来达到。
因此,所提出的解决方案是基于包括磁耦合双反激转换器的简单电路,其可以通过非常少的组件来实现。作为示例,仅有包括四个耦合良好的绕组的一个变压器、两个开关、用于变压器的初级侧的两个低频二极管、用于变压器的次级侧的两个高频二极管和两个电容器。根据所提出的解决方案,电力固有地根据两个DC输出或相上的需求进行分布。而且,DC输出侧上的非对称负载不导致从AC供电网汲取的电网电流的非对称性。可以在没有复杂控制的情况下达到正弦AC电网电流。
根据第一方面,第一和第二初级绕组二者以一个末端连接到AC电网的中性线,并且第一和第二次级绕组二者以一个末端连接到DC电网的接地电位。从而,由存储在变压器的磁心中的磁场生成的放电电流基于其负载而固有地分布到DC输出。
根据可与第一方面组合的第二方面,AC电网的中性线可以直接连接到DC电网的接地电位。
根据可与第一或第二方面组合的第三方面,第一和第二整流器电路可以各自包括仅一个二极管和一个电容器,使得电路复杂性可以保持低。
根据可与第一到第三方面中任一个组合的第四方面,第一和第二半波整流器可以各自包括仅一个二极管,其同样服务于保持电路复杂性低。
根据可与第一到第四方面中任一个组合的第五方面,电路还可以包括并联连接到第一半波整流器的输出的第一滤波电容器和并联连接到第二半波整流器的输出的第二滤波电容器。从而,可以将输入滤波并入到整流电路中。
根据可与第一到第五方面中任一个组合的第六方面,电路可以适于生成具有相同绝对值的第一和第二DC电压。因此,可以提供具有正电压和负电压的两相DC电网,所述正电压和负电压具有相同的绝对值。
根据可与第一到第六方面中任一个组合的第七方面,可以在10或100 kHz范围内选择第一和第二受控开关的开关频率。从而,每AC输入信号的半波周期可以达到1000或甚至10000个开关循环。
以下限定另外的有利实施例。
附图说明
本发明的这些和其它方面将从下文描述的实施例显而易见并且参考下文描述的实施例得以阐述。
在附图中:
图1示出了根据第一实施例的整流器电路的示意性功能框图;
图2示出了根据第二实施例的整流器电路的示意性电路图;
图3示出了根据第三实施例的整流器电路的更详细的电路图;
图4示出了关于在DC输出处具有对称负载的第三实施例的整流电路中的电流和电压的波形的时序图;以及
图5示出了关于在DC输出处具有非对称负载的第三实施例的整流电路中的电流和电压的波形的时序图。
具体实施方式
现在基于用于将DC微电网的两相DC主干网连接到AC供电网的磁耦合双反激转换器或整流器来描述实施例。然而,应当指出,本发明可以适用于AC供电网与DC电网之间的任何类型接口。
图1示出了根据第一实施例的双反激整流器的示意性功能框图。来自AC供电网(在图1中示例为AC电压源)的AC电压被供应到第一和第二半波整流器功能或电路10、12,其中上整流器功能或电路10适于仅输出正半波,其经由第一受控开关功能或开关20转发到变压器30的第一初级绕组或绕组部分。下整流器功能或电路12适于仅输出负半波,其经由第二受控开关功能或开关20转发到变压器30的第二初级绕组或绕组部分。这两个初级绕组或绕组部分在其末端之一处连接在一起并连接到AC电网的地电位,例如经由三相系统的中性线。第一和第二受控开关功能或开关20、22适于连续地(例如周期性地)接通和断开相应半波到相应初级绕组或绕组部分的供应并且在相应另一半波的供应期间保持打开。可以选择开关过程的时序(例如,在周期性开关的情况下的开关频率)以提供每半波周期的若干个开/关循环,使得流过变压器30的初级绕组或绕组部分的半波电流被削减(chopped)。由于在半波电流的供应期间通过第一和第二开关功能或开关20、22重复打开初级电路这一事实,所以在变压器30的磁心中生成和存储的磁场可以仅在这些开路周期期间通过变压器30的次级绕组处的放电电流而释放(relieved)。第一次级绕组或绕组部分经由第一整流器功能或电路40连接到第一(例如,正)DC输出,并且第二次级绕组或绕组部分经由第二整流器功能或电路42连接到第二(例如,负)DC输出。这两个次级绕组或绕组部分在其末端之一处彼此连接并连接到DC输出的接地电位。因此,在开关功能或开关20、22的打开或断开状态期间在次级绕组中生成的放电电流流过第一和第二整流器功能或电路40、42,使得在DC输出处生成DC电压。
可以通过实现所描述的功能性并且可在期望的功率范围内使用的任何电路来实现第一和第二半波整流功能或电路10、12、第一和第二开关功能或开关20、22、以及第一和第二整流器电路40、42。
图2示出了根据第二实施例的双反激整流器电路的更详细的实现方案。此处,需要非常少的电路组件。主电路仅包括具有四个耦合良好的绕组L11、L12、L21、L22的一个变压器、两个开关S1和S2、两个低频二极管D1和D2、两个高频二极管D3和D4、以及两个电容器C3和C4。可选地,可以添加两个另外的电容器C1和C2以提供额外的输入滤波。在图2的示例中,生成具有+380V和-380V以及因此相同绝对值的DC输出电压。当然,电路可以适于通过绕组或其它电路组件的适当修改来生成具有不同绝对值的DC输出电压。可以通过诸如(功率)晶体管、晶闸管等等的可控半导体开关来实现开关S1和S2。二极管功能可以通过场效应晶体管(FET)或其它晶体管来实现以便获取有源整流器。
为了评估和说明电路的功能,已经使用LT-Spice来施行电路仿真。图3示出了根据第三实施例的用于仿真的电路图。组件的名称对应于图2中的原理电路图。应当指出,在仿真中,电感L11、L12、L21和L22以耦合因子k=1良好地耦合。此外,添加包括U_Sw1、S3、R3和Usw_2、S4、R4的简单控制电路。而且,提供包括L1和C5的输入滤波。正DC相上的负载通过R1来表示,并且负DC相上的负载通过R2来表示。S1和S2表示半导体开关,例如场效应晶体管(FET)。
图4示出了在DC输出DC_pos和DC_neg处的DC相上的负载平衡时,关于图3的整流电路中所选择的电流和电压的时间依赖性的时序图。在本示例中,负载R1和R2各自为100Ω。
图5示出了针对其中例如R1 = 55Ω和R2 = 500Ω的非平衡情况的类似时序图。输出功率的总和在这两种情况中是相同的。出于说明的目的,仿真电路尺寸设计成仅以每AC电压的半波周期10个开关循环进行操作。在实际实施例中,开关频率将在10或100 kHz范围内选择得高得多,使得1000或甚至10000个开关循环将适于一个半波周期或循环。图4和5示出了若干个电网循环之后的稳定状态。
在下文中,基于图4和5中所示出的信号波形来解释图3的电路的操作。
操作在AC电网电压的正半波和负半波期间是不同的。这可以通过图4和5中的跨C1和C2的经整流的电压的信号波形V(rect_pos)和V(rect_neg)来标识。
在输入电压的正半波期间,开关S1以开关频率和特定占空比进行切换。相应信号V(sw1)表示开关S1的控制信号。如果其是正的,则开关S1闭合,如果其是零,则开关S1打开。在该正半波期间,另一开关S2保持打开。如果S1闭合,则增加的电流流过初级电感或绕组L11,如相应波形I(L11)所示,其对绕组L11进行充电。如果开关S1打开,则磁性装置(即,变压器)可以仅经由次级电感或绕组L21和L22通过次级侧上的二极管D3和D4进行放电。图4和5中示出了放电电流的波形I(L21)和-I(L22)。
在输入电压的负半波期间,开关S1保持打开。作为替代,开关S2以开关频率和特定占空比进行切换。图4和5中示出了开关S2的控制信号的波形V(sw2)。如果其是负的,则开关S2闭合,如果其是零,则开关S2打开。功能与正半波循环类似:如果开关S2闭合,则增加的电流流过相应的电感或绕组L12,如时序图的相应波形-I(L12))中所示,其对电感进行充电。如果开关S2打开,则磁性装置(即,变压器)可以仅经由次级绕组L21和L22通过次级侧上的二极管D3和D4进行放电。
如果对称地加载两个DC相,则放电电流相等地分布到L21和L22(如图4中所示)。如果非对称地加载DC相,则具有较少电力需求的相接收较少的放电电流(如图5中所示)。电流内在地进行分布,使得输出电压保持恒定。图4和5的时序图示出了正DC输出电压V(dc_pos)和负DC输出电压V(dc_neg)的波形。这二者由于低开关频率而具有小波纹。可以清楚地看到,DC输出电压甚至在非对称负载的情况下保持恒定。
而且,放电电流对于AC电网电压的正半波循环和负半波循环是相同的。这意指即使DC侧上的负载在两个相当中非对称地分布,从AC电网取得的电力对于正半波循环和负半波循环也是相同的。图4和5的时序图示出了从AC电网汲取的输入电流-I(Grid)。可以看到,其甚至在非平衡负载(图5)的情况下也是对称的。此外,可以看到,从AC电网汲取的输入电流是具有开关模式的恒定占空比的良好的正弦。这使得易于控制。
总之,已经描述了使用磁耦合双反激转换器的整流方法和电路。主电路可以包括仅一个变压器、两个开关、两个低频二极管、两个高频二极管和两个电容器,使得电力固有地根据两个DC相上的需求进行分布,并且可以在没有复杂控制的情况下获取正弦电网电流。
虽然已经在附图和前述描述中详细说明和描述了本发明,但是这样的说明和描述应被视为说明性或者示例性而非限制性的;本发明不限于所公开的实施例。从附图、公开内容和随附权利要求的学习,实践所要求保护的本发明的本领域技术人员可以理解和实现所公开实施例的其它变型。在权利要求中,词语“包括”不排除其它元件或步骤,并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。在相互不同的从属权利要求中陈述某些措施的仅有事实不指示这些措施的组合不能有利地使用。权利要求中的任何参考标记不应解释为对范围的限制。

Claims (9)

1.一种用于提供交流(AC)供电网与直流(DC)电网之间的接口的整流电路,所述电路包括:
a. 具有第一和第二初级绕组(L11,L12)以及第一和第二次级绕组(L21,L22)的变压器(30);
b. 用于输出从所述交流(AC)供电网供应的AC信号的正半波的第一半波整流器(10);
c. 用于输出所述AC信号的负半波的第二半波整流器(12);
d. 第一受控开关(20),所述第一受控开关用于在所述正半波中的每一个期间连续地接通和断开所述正半波到所述第一初级绕组(L11)的供应;
e. 第二受控开关(22),所述第二受控开关用于在所述负半波中的每一个期间连续地接通和断开所述负半波到所述第二初级绕组(L12)的供应;
f. 第一整流器电路(40),所述第一整流器电路连接到所述变压器(30)的所述第一次级绕组(L21)以用于在所述第一和第二受控开关(20,22)的断开状态期间基于所述变压器(30)的放电电流来生成第一DC输出电压;以及
g. 第二整流器电路(42),所述第二整流器电路连接到所述变压器(30)的所述第二次级绕组(L22)以用于在所述第一和第二受控开关(20,22)的所述断开状态期间基于所述变压器(30)的放电电流来生成第二DC输出电压。
2.根据权利要求1所述的电路,其中所述第一和第二初级绕组(L11,L12)二者以一个末端连接到所述交流(AC)供电网的中性线,并且其中所述第一和第二次级绕组(L21,L22)二者以一个末端连接到所述直流(DC)电网的接地电位。
3.根据权利要求2所述的电路,其中所述中性线直接连接到所述接地电位。
4.根据权利要求1所述的电路,其中所述第一和第二整流器电路(40,42)各自仅包括一个二极管(D3,D4)和一个电容器(C3,C4)。
5.根据权利要求1所述的电路,其中所述第一和第二半波整流器(20,22)各自仅包括一个二极管(D1,D2)。
6.根据权利要求1所述的电路,还包括并联连接到所述第一半波整流器(20)的输出的第一滤波电容器(C1)和并联连接到所述第二半波整流器(22)的输出的第二滤波电容器(C2)。
7.根据权利要求1所述的电路,其中所述电路适于生成具有相同绝对值的所述第一和第二DC电压。
8.根据权利要求1所述的电路,其中在10或100 kHz范围内选择所述第一和第二受控开关(20,22)的开关频率。
9.一种提供交流(AC)供电网与直流(DC)电网之间的接口的方法,所述方法包括以下步骤:
a. 对从所述交流(AC)供电网供应的AC信号进行整流以生成所述AC信号的正半波;
b. 对所述AC信号进行整流以生成所述AC信号的负半波;
c. 在所述正半波中的每一个期间连续地接通和断开所述正半波到变压器(30)的第一初级绕组(L11)的供应;
d. 在所述负半波中的每一个期间连续地接通和断开所述负半波到所述变压器(30)的第二初级绕组(L12)的供应;
e. 在所述正半波和负半波的断开供应状态期间基于所述变压器(30)的第一次级绕组(L21)中的放电电流来生成第一DC输出电压;以及
f. 在所述正半波和负半波的断开供应状态期间基于所述变压器(30)的第二次级绕组(L22)中的放电电流来生成第二DC输出电压。
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