CN104716849A - 一种电压型准阻抗源ac～ac变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种电压型准阻抗源AC～AC变换器，包括准阻抗源网络、交流电力电子开关S1、交流电力电子开关S2、电源和负载；其中，准阻抗源网络周期性充电和放电，交流电力电子开关S1、交流电力电子开关S2工作在高频开关状态；本发明的输出电压可通过调节工作在高频开关状态的交流电力电子开关S1和交流电力电子开关S2的占空比来控制，实现输出电压的升高或降低，最终解决目前AC～AC变换器电压调节范围小，开关交替导通时共态导通或共态关断均会损坏电力电子器件的问题。

Description

一种电压型准阻抗源AC～AC变换器
技术领域
本发明涉及分类表H02的发电、变电或配电设备，特别是涉及交流/交流电压变换器。
背景技术
传统的AC～AC变换器可以实现电压调节外，还可以实现功率调节、电气隔离、滤波等功能，但是存在电压调节范围小，开关交替导通时共态导通或共态关断均会损坏电力电子器件，电路的EMI(Electromagnetic Interference,电磁干扰)问题严重等缺点。
发明内容
本发明的目的是提供一种电压型准阻抗源AC～AC变换器，解决目前AC～AC变换器电压调节范围小，开关交替导通时共态导通或共态关断均会损坏电力电子器件的问题。
为解决上述提出的问题，本发明提供的一种电压型准阻抗源AC～AC变换器，包括准阻抗源网络、交流电力电子开关S1、交流电力电子开关S2、电源和负载R；准阻抗源网络为电桥；电源接在准阻抗源网络的一桥臂上；交流电力电子开关S1接在准阻抗源网络的一条对角线上；交流电力电子开关S2接在准阻抗源网络的另一条对角线上；准阻抗源网络经输出滤波器接负载。
准阻抗源网络周期性充电和放电。
交流电力电子开关S1、交流电力电子开关S2工作在高频开关状态。
其输出电压通过调节交流电力电子开关S1和交流电力电子开关S2的占空比来控制。
准阻抗源网络为电感L1、电感L2、电容C1和电容C2搭起的电桥；电感L1、电容C1、电感L2、电容C2按此顺序分别串联在电桥的四个桥臂上；电感L1和电容C1之间设结点P1、电感L2和电容C2之间设结点P2、电容C1和电感L2之间设结点P3、电容C2和电感L1之间设结点P4；电源接在电感L1和结点P4之间。
交流电力电子开关S1接在准阻抗源网络的结点P1和结点P2之间；交流电力电子开关S2接在准阻抗源网络的结点P3和结点P4之间；交流电力电子开关S1由绝缘栅双极型晶体管IGBT11和绝缘栅双极型晶体管IGBT12共发射极或共集电极串联而成；交流电力电子开关 S2由绝缘栅双极型晶体管IGBT21和绝缘栅双极型晶体管IGBT22共发射极或共集电极串联而成。
输出滤波器包括电感L3和电容C3；电感L3一端接准阻抗源网络的结点P3，另一端接电容C3的一端，电容C3的另一端接准阻抗源网络的结点P4；负载R与电容C3并联。
交流电力电子开关S1替换成交流电力电子开关S3，交流电力电子开关S2替换成交流电力电子开关S4。
交流电力电子开关S3由一不可控全桥和绝缘栅双极型晶体管IGBT31并联而成；所述交流电力电子开关S4由另一不可控全桥和绝缘栅双极型晶体管IGBT41并联而成。
电源为单相交流电压源AC。
本发明的实际即实施过程中，由于本发明所采用准阻抗源网络的无源元件值很小，整个电路的体积、重量均较小，且由于交流电力电子开关S1和交流电力电子开关S2的工作频率远高于电源和输出电压频率，因此交流输入侧电流谐波少、电磁兼容性好、效率高，输出侧的输出电压稳定，调节范围宽；
由于本发明通过调节交流电力电子开关S1和交流电力电子开关S2的占空比来控制电压的输出，因此输出电压调节范围大，且经过交流电力电子开关S1和交流电力电子开关S2的高频开关工作，准阻抗源网络的无源元件周期性的充放电，实现输出电压的升高或降低；
由于准阻抗源网络的可靠性，开关共态导通或共态关断均不会损坏其自身的电力电子器件；
本发明的电压型准阻抗源AC～AC变换器可用于如加热炉的温度、电光源的亮度、异步/同步交流电动机的转速、电焊机的焊接功率等的控制和交流调压器、交流稳压电源、风力发电的功率变换、军用电源、灵活交流输电(FACTs)系统等应用场合。
下面结合附图对本发明的电压型准阻抗源AC～AC变换器作进一步说明。
附图说明
图1为本发明的电压型准阻抗源AC～AC变换器的电路图；
图2为含有交流电力电子开关S3、S4的电压型准阻抗源AC～AC变换器的电路图；
图3为本发明的电压型准阻抗源AC～AC变换器中交流电力电子开关S1、S2或S3、S4的开关时序图；
图4为本发明的电压型准阻抗源AC～AC变换器改进的电路图；
图5为图4经整理后的电路图；
图6为三相准阻抗源AC～AC变换器的电路图。
具体实施方式
如图1所示，本实施例包括准阻抗源网络、交流电力电子开关S1、交流电力电子开关S2、电源AC和负载R；准阻抗源网络为电桥；电源AC接在准阻抗源网络的一桥臂上；交流电力电子开关S1经导线接在准阻抗源网络的一条对角线上；交流电力电子开关S2经导线接在准阻抗源网络的另一条对角线上；准阻抗源网络经输出滤波器接负载R。
交流电力电子开关S1和交流电力电子开关S2工作在高频开关状态；通过调节交流电力电子开关S1和交流电力电子开关S2的占空比来控制本实施例，即单相准阻抗源升/降电压AC～AC变换器的输出电压；准阻抗源网络可使交流电力电子开关S1、交流电力电子开关S2在共态导通或共态关断时，其自身的电力电子器件不会被损坏。
实施例一： 
如图1所示，电源AC为单相电压源；输出滤波器由电感L3和电容C3串联而成；交流电力电子开关S1由绝缘栅双极型晶体管IGBT11和绝缘栅双极型晶体管IGBT12共发射极(或共集电极)串联而成；交流电力电子开关S2由绝缘栅双极型晶体管IGBT21和绝缘栅双极型晶体管IGBT22共发射极(或共集电极)串联而成；
准阻抗源网络由电感L1、电感L2、电容C1和电容C2连接而成；电感L1、电容C1、电感L2、电容C2按此顺序依次串联在电桥的四个桥臂上；电感L1和电容C1之间设有结点P1、电感L2和电容C2之间设有结点P2、电容C1和电感L2之间设有结点P3、电容C2和电感L1之间设有结点P4；电感L1和结点P4之间接单相电压源AC；结点P1和结点P2之间接入交流电力电子开关S1；结点P3和结点P4之间接入交流电力电子开关S2；准阻抗源网络的结点P3接电感L3的一端，电感L3的另一端接电容C3的一端，电容C3的另一端接准阻抗源网络的结点P4；负载R与电容C3并联。
如图2所示，基于图1所示本实施例一的电路结构，交流电力电子开关S1、交流电力电子开关S2均可分别由不可控整流桥和全控型电力电子器件并联而成，即图1中的交流电力电子开关S1替换为交流电力电子开关S3，交流电力电子开关S2替换为交流电力电子开关S4；交流电力电子开关S3由不可控整流桥3与绝缘栅双极型晶体管IGBT31并联而成；交流电力电子开关S4由不可控整流桥4与绝缘栅双极型晶体管IGBT41并联而成。
如图3所示，通过调节交流电力电子开关S1、交流电力电子开关S2或交流电力电子开关S3、交流电力电子开关S4导通的占空比，可以调节输出电压的大小。
实施例二： 
如图4所示，将实施例一中图1所示的电路结构做进一步的变化，即：将单相电压源AC从准阻抗源网络的桥臂移出来，接到准阻抗源网络的结点P4上；去掉电感L3，仅用电容C3作为输出滤波器；断开交流电力电子开关S2、负载R与准阻抗源网络的结点P4的连接；
图4经整理后得到图5所示的电路结构；
以图5所示的电路结构为单元，采用这样的三个单元和附加的电容C4、电容C5、电容C6组成如图6所示的三相准阻抗源AC～AC变换器；以下是三相准阻抗源AC～AC变换器的电路连接过程：
基于图4所示电路图的结构，采用相应的器件替代图4中的各器件，得到第一单元a，其中所采用的替代器件和被替代器件类型相同，即单相电压源AC1替代单相电压源AC、交流电力电子开关S5替代交流电力电子开关S1、交流电力电子开关S8替代交流电力电子开关S2、电感L4替代电感L1、电感L5替代电感L2、电容C7替代电容C1、电容C8替代电容C2、电容C13替代电容C3、负载R1替代负载R；其中，交流电力电子开关S5由绝缘栅双极型晶体管IGBT51和绝缘栅双极型晶体管IGBT52共发射极(或共集电极)串联而成；交流电力电子开关S8由绝缘栅双极型晶体管IGBT81和绝缘栅双极型晶体管IGBT82共发射极(或共集电极)串联而成；
基于图4所示电路图的结构，采用相应的器件替代图4中的各器件，得到第二单元b，其中所采用的替代器件和被替代器件类型相同，即单相电压源AC2替代单相电压源AC、交流电力电子开关S6替代交流电力电子开关S1、交流电力电子开关S9替代交流电力电子开关S2、电感L6替代电感L1、电感L7替代电感L2、电容C9替代电容C1、电容C10替代电容C2、电容C14替代电容C3、负载R2替代负载R；其中，交流电力电子开关S6由绝缘栅双极型晶体管IGBT61和绝缘栅双极型晶体管IGBT62共发射极(或共集电极)串联而成；交流电力电子开关S9由绝缘栅双极型晶体管IGBT91和绝缘栅双极型晶体管IGBT92共发射极(或共集电极)串联而成；
基于图4所示电路图的结构，采用相应的器件替代图4中的各器件，得到第三单元c，其中所采用的替代器件和被替代器件类型相同，即单相电压源AC3替代单相电压源AC、交流电力电子开关S7替代交流电力电子开关S1、交流电力电子开关S10替代交流电力电子开关S2、电感L8替代电感L1、电感L9替代电感L2、电容C11替代电容C1、电容C12替代 电容C2、电容C15替代电容C3、负载R3替代负载R；其中，交流电力电子开关S7由绝缘栅双极型晶体管IGBT71和绝缘栅双极型晶体管IGBT72共发射极(或共集电极)串联而成；交流电力电子开关S10由绝缘栅双极型晶体管IGBT101和绝缘栅双极型晶体管IGBT102共发射极(或共集电极)串联而成；
第一单元a、第二单元b、第三单元c的连接关系为：单相电压源AC1的另一端、单相电压源AC2的另一端、单相电压源AC3的另一端经导线连接在一起；结点P8和结点P12之间接入电容C4；结点P12和结点P16之间接入电容C6；结点P8和结点P16之间接入电容C5；交流电力电子开关S8接在结点P7和结点P11之间；交流电力电子开关S9接在结点P11和结点P15之间；交流电力电子开关S10接在结点P7和结点P15之间；电阻R1和电容C13之间的节点P17、电阻R2和电容C14之间的节点P18、电阻R3和电容C15之间的节点P19经导线连接在一起；
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种电压型准阻抗源AC～AC变换器，其特征在于，包括准阻抗源网络、交流电力电子开关S1、交流电力电子开关S2、电源和负载R；准阻抗源网络为电桥；电源接在准阻抗源网络的一桥臂上；交流电力电子开关S1接在准阻抗源网络的一条对角线上；交流电力电子开关S2接在准阻抗源网络的另一条对角线上；准阻抗源网络经输出滤波器接负载。
2.根据权利要求1所述的电压型准阻抗源AC～AC变换器，其特征在于，准阻抗源网络周期性充电和放电。
3.根据权利要求2任一所述的电压型准阻抗源AC～AC变换器，其特征在于，交流电力电子开关S1、交流电力电子开关S2工作在高频开关状态。
4.根据权利要求3任一所述的电压型准阻抗源AC～AC变换器，其特征在于，其输出电压通过调节交流电力电子开关S1和交流电力电子开关S2的占空比来控制。
5.根据权利要求1或4任一所述的电压型准阻抗源AC～AC变换器，其特征在于，准阻抗源网络为电感L1、电感L2、电容C1和电容C2搭起的电桥；电感L1、电容C1、电感L2、电容C2按此顺序分别串联在电桥的四个桥臂上；电感L1和电容C1之间设结点P1、电感L2和电容C2之间设结点P2、电容C1和电感L2之间设结点P3、电容C2和电感L1之间设结点P4；电源接在电感L1和结点P4之间。
6.根据权利要求5所述的电压型准阻抗源AC～AC变换器，其特征在于，交流电力电子开关S1接在准阻抗源网络的结点P1和结点P2之间；交流电力电子开关S2接在准阻抗源网络的结点P3和结点P4之间；交流电力电子开关S1由绝缘栅双极型晶体管IGBT11和绝缘栅双极型晶体管IGBT12共发射极或共集电极串联而成；交流电力电子开关S2由绝缘栅双极型晶体管IGBT21和绝缘栅双极型晶体管IGBT22共发射极或共集电极串联而成。
7.根据权利要求6所述的电压型准阻抗源AC～AC变换器，其特征在于，所述输出滤波器包括电感L3和电容C3；电感L3一端接准阻抗源网络的结点P3，另一端接电容C3的一端，电容C3的另一端接准阻抗源网络的结点P4；负载R与电容C3并联。
8.根据权利要求6所述的电压型准阻抗源AC～AC变换器，其特征在于，交流电力电子开关S1替换成交流电力电子开关S3，交流电力电子开关S2替换成交流电力电子开关S4。
9.根据权利要求8任一所述的电压型准阻抗源AC～AC变换器，其特征在于，所述交流电力电子开关S3由不可控全桥(3)和绝缘栅双极型晶体管IGBT31并联而成；所述交流电力电子开关S4由不可控全桥(4)和绝缘栅双极型晶体管IGBT41并联而成。
10.根据权利要求1或4或9任一所述的电压型准阻抗源AC～AC变换器，其特征在于，电源为单相交流电压源AC。
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