CN106300997A

CN106300997A - 一种单相高频隔离阻抗源交流‑交流变换器

Info

Publication number: CN106300997A
Application number: CN201610631073.XA
Authority: CN
Inventors: 周小杰; 李敬兆
Original assignee: Anhui University of Science and Technology
Current assignee: Anhui University of Science and Technology
Priority date: 2016-08-03
Filing date: 2016-08-03
Publication date: 2017-01-04

Abstract

本发明涉及高频隔离交流变换器，具体涉及一种单相高频隔离阻抗源交流‑交流变换器，包括高频变压器、第一电容、第二电容、LC滤波器和负载电阻，还包括阻抗网络、第一双向电力电子开关和第二双向电力电子开关。本发明提供一种单相高频隔离阻抗源交流‑交流变换器，输出交流电压可以在较宽范围内调节，可升压或降压；输出交流电压可与输入电压同相位或反相位；可抑制浪涌和谐波电流；在输入与输出之间采用高频变压器隔离，与传统的工频变压器隔离相比，提高了变换器整体效率，减小了变换器的体积、重量和成本，特别适合于工业应用的场合。

Description

一种单相高频隔离阻抗源交流-交流变换器

技术领域

本发明涉及高频隔离交流变换器，具体涉及一种单相高频隔离阻抗源交流-交流变换器。

背景技术

通过电力电子变换装置把一种频率和电压的交流电直接变换成另一种频率和电压的交流电的变化成为交流-交流直接变换。通过电力电子变换装置把一种交流电直接变成另一种同频率不同电压交流电的变换称之为交流调压。通过电力电子变换装置把一种交流电直接变换成另一种不同频率的交流电的变换称之为交-交变频。

传统的交流交流变换器输出交流电压无法在较宽的范围内调节，变换器整体变换效率较差。

发明内容

本发明提供一种单相高频隔离阻抗源交流-交流变换器，用于解决现有高频隔离交流变换器设计不合理的问题，具体技术方案如下：

一种单相高频隔离阻抗源交流-交流变换器，包括高频变压器、第一电容、第二电容、LC滤波器和负载电阻，还包括阻抗网络、第一双向电力电子开关和第二双向电力电子开关；输入交流电压通过阻抗网络跨接在第一双向电力电子开关两端，第一双向电力电子开关一端通过第一电容与高频变压器初极线圈的一头连接，另一端直接与高频变压器初级线圈另一头连接，高频变压器的次级线圈一头通过第二电容连接第二双向电力电子开关的一端，另一头连接所述第二双向电力电力开关的另一端，所述第二双向电力电子开关通过LC滤波器连接在负载电阻的两端。

进一步的，所述阻抗网络为准阻抗源网络且包括第三双向电力电子开关、第一电感、第二电感、第三电容和第四电容，输入交流电压与第一电感连接，第一电感分别连接第三双向电力电子开关和第三电容，第三双向电力电子开关分别连接第二电感和第四电容，所述第三电容、第二电感均连接至第一双向电力电子开关的一端，所述第四电容连接至第一双向电力电子开关的另一端。

进一步的，所述第一、第二、第三双向电力电子开关均包括两个反向串联的IGBT。

进一步的，交流-交流变换器有两种工作模式：模式1为第三双向电力电子开关关断，第一、第二双向电力电子开关导通；模式2为第三双向电力电子开关导通，第一、第二双向电力电子开关关断。

进一步的，所述第一、第二、第三双向电力电子开关的驱动脉冲通过锯齿波与参考电压相比较产生。

进一步的，当锯齿波电压高于参考电压时，第三双向电力电子开关关断，第一、第二双向电力电子开关导通；当参考电压高于锯齿波电压时，第三双向电力电子开关导通，第一、第二双向电力电子开关关断。

有益效果

本发明提供一种单相高频隔离阻抗源交流-交流变换器，输出交流电压可以在较宽范围内调节，可升压或降压；输出交流电压可与输入电压同相位或反相位；可抑制浪涌和谐波电流；在输入与输出之间采用高频变压器隔离，与传统的工频变压器隔离相比，提高了变换器整体效率，减小了变换器的体积、重量和成本，特别适合于工业应用的场合。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为单相高频隔离型阻抗源交流-交流变换器示意图；

图2为单相高频隔离型准阻抗源交流-交流变换器；

图3为单相高频隔离型准阻抗源交流-交流变换器门极驱动脉冲；

图4为变换器模式1等效电路；

图5为变换器模式2等效电路。

附图说明：

ug表示输入交流电压，R_L表示负载电阻,K₁表示第一双向电力电子开关，K₂表示第二双向电力电子开关，C_p表示第一电容、C_s表示第二电容，L_o、C_o组成LC滤波器，L₁表示第一电感，L₂表示第二电感，C₁表示第三电容，C₂表示第四电容，K₃表示第三双向电力电子开关。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-5所示，单相高频隔离型阻抗源交流-交流变换器原理图如图1所示，图中，ug表示输入交流电压，R_L表示负载电阻，在阻抗网络与负载之间采用了高频变压器隔离，高频变压器原副边匝比为1：n，K₁、K₂表示第一、第二双向电力电子开关(两个IGBT反向串联组成)，第一、第二电容C_p、C_s，L_o、C_o组成LC滤波器。

阻抗网络可选择多种拓扑结构，目前准阻抗源网络被认为是一种较好的结构。图2所示为阻抗网络采用准阻抗源时，构成的单相高频隔离型准阻抗源交流-交流变换器的原理图，图2中，准阻抗源网络由第一、第二电感L₁、L₂，第三、第四电容C₁、C₂和第三双向电力电子开关K₃组成。

单相高频隔离型准阻抗源交流-交流变换器的门极驱动波形如图3所示，其中D表示占空比，T表示该变换器开关器件的开关周期。第一、第二两个双向电力电子开关K₁、K₂的驱动脉冲是一样的，两者是同时触发。下面以图2、图3为例，分析其工作原理：

驱动脉冲是通过锯齿波与参考电压Vref相比较产生的。当锯齿波电压高于参考电压Vref时，第三双向电力电子开关K₃关断，第一、第二双向电力电子开关K₁、K₂导通；当参考电压Vref高于锯齿波电压时，第三双向电力电子开关K₃导通，第一、第二双向电力电子开关K₁、K₂关断，因此，该变换器有两种工作模式，第三双向电力电子开关K₃关断，第一、第二双向电力电子开关K₁、K₂导通这种状态称为模式1，第三双向电力电子开关K₃导通，第一、第二双向电力电子开关K₁、K₂关断这种状态称为模式2。下面以输入交流电压正半周为例，分析这两种工作模式，负半周同理。

输入交流电压正半周时，模式1等效电路如图4所示。各元件电压极性如图中所示。根据电路定律可得

\{\begin{matrix} u_{L_{1}} = u_{C_{2}} + u_{g} \\ u_{L_{2}} = u_{C_{1}} \\ u_{s} = - u_{C_{s}} \\ u_{p} = - u_{C_{p}} \\ u_{L_{o}} = - u_{C_{o}} \end{matrix} - - - (1)

输入交流电压正半周时，模式2等效电路如图5所示。各元件电压极性如图中所示。根据电路定律可得

\{\begin{matrix} u_{L_{1}} = u_{g} - u_{C_{1}} \\ u_{L_{2}} = - u_{C_{2}} \\ u_{p} = u_{1} - u_{C_{p}} \\ u_{1} = u_{C_{1}} + u_{C_{2}} \\ u_{s} = u_{2} - u_{C_{s}} \\ u_{L_{o}} = u_{2} - u_{C_{o}} \end{matrix} - - - (2)

对准阻抗源网络，采用伏秒平衡原理可得

u_{g} + u_{C_{2}} D = u_{C_{1}} (1 - D) - - - (3)

u_{C_{1}} D = u_{C_{2}} (1 - D) - - - (4)

由式(3)、(4)得

u_{C_{1}} = \frac{(1 - D) u_{g}}{1 - 2 D} - - - (5)

u_{C_{2}} = \frac{u_{g} D}{1 - 2 D} - - - (6)

由式(1)、(2)、(5)、(6)得

u_{C_{p}} = \frac{u_{g} (1 - D)}{1 - 2 D} - - - (7)

u_{C_{s}} = \frac{u_{g} (1 - D) n}{1 - 2 D} - - - (8)

由式(2)、(8)得

u_{2} = \frac{{nu}_{g}}{1 - 2 D} - - - (9)

因此，得变换器的输出电压与输入电压的关系

u_{C_{o}} = \frac{n (1 - D)}{1 - 2 D} u_{g} - - - (10)

从式(10)中可知，n增大了变换器的输出电压调节范围。

本以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种单相高频隔离阻抗源交流-交流变换器，包括高频变压器、第一电容、第二电容、LC滤波器和负载电阻，其特征在于，还包括阻抗网络、第一双向电力电子开关和第二双向电力电子开关；输入交流电压通过阻抗网络跨接在第一双向电力电子开关两端，第一双向电力电子开关一端通过第一电容与高频变压器初极线圈的一头连接，另一端直接与高频变压器初级线圈另一头连接，高频变压器的次级线圈一头通过第二电容连接第二双向电力电子开关的一端，另一头连接所述第二双向电力电力开关的另一端，所述第二双向电力电子开关通过LC滤波器连接在负载电阻的两端。

2.如权利要求1所述的单相高频隔离阻抗源交流-交流变换器，其特征在于，所述阻抗网络为准阻抗源网络且包括第三双向电力电子开关、第一电感、第二电感、第三电容和第四电容，输入交流电压与第一电感连接，第一电感分别连接第三双向电力电子开关和第三电容，第三双向电力电子开关分别连接第二电感和第四电容，所述第三电容、第二电感均连接至第一双向电力电子开关的一端，所述第四电容连接至第一双向电力电子开关的另一端。

3.如权利要求2所述的单相高频隔离阻抗源交流-交流变换器，其特征在于，所述第一、第二、第三双向电力电子开关均包括两个反向串联的IGBT。

4.如权利要求1所述的单相高频隔离阻抗源交流-交流变换器，其特征在于，交流-交流变换器有两种工作模式：模式1为第三双向电力电子开关关断，第一、第二双向电力电子开关导通；模式2为第三双向电力电子开关导通，第一、第二双向电力电子开关关断。

5.如权利要求2所述的单相高频隔离阻抗源交流-交流变换器，其特征在于，所述第一、第二、第三双向电力电子开关的驱动脉冲通过锯齿波与参考电压相比较产生。

6.如权利要求5所述的单相高频隔离阻抗源交流-交流变换器，其特征在于，当锯齿波电压高于参考电压时，第三双向电力电子开关关断，第一、第二双向电力电子开关导通；当参考电压高于锯齿波电压时，第三双向电力电子开关导通，第一、第二双向电力电子开关关断。