CN106533200A - 交直流变换装置以及交直流变换系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提出一种交直流变换装置以及交直流变换系统，所述交直流变换装置包括三相矩阵开关单元、高频变压器单元、整流逆变单元，三相矩阵开关单元、高频变压器单元以及整流逆变单元依次串联。减少变换器的级数，减少电能变换的次数，提高系统的效率，简化拓扑结构，降低系统体积和重量，实现了直流到交流和交流到直流的变换。

Description

交直流变换装置以及交直流变换系统

技术领域

本发明涉及交流直流变换领域，具体而言，涉及一种交直流变换装置以及交直流变换系统。

背景技术

目前双向AC-DC变换器的技术路线主要采用两级结构，包括与电网连接的隔离变压器，双向AC-DC整流器/逆变器，直流母线和双向DC-DC。由于采用两级结构(中间采用DC-link)和工频隔离变压器，会造成系统体积大，重量重，并且伴随的是系统效率低。

因此需要设计一个新的双向AC-DC变换器满足用户的需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种交直流变换装置以及交直流变换系统，来实现减少变换器的级数、减少电能变换的次数、提高系统的效率、简化拓扑结构、降低系统体积和重量的目的，实现了直流到交流和交流到直流的变换。

为了实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：

本发明实施例提供了一种交直流变换装置，所述交直流变换装置包括三相矩阵开关单元、高频变压器单元、整流逆变单元，所述三相矩阵开关单元、所述高频变压器单元以及所述整流逆变单元依次串联；在交流变换为直流的工作状态时，所述三相矩阵开关单元将输入的交流电转换为第一频率的交流电后传输给所述高频变压器单元，所述高频变压器单元将所述第一频率的交流电转换为第二频率的交流电后传输给所述整流逆变单元，所述整流逆变单元将接收到的所述第二频率的交流电转换为直流电后输出；在直流变换为交流的工作状态时，所述整流逆变单元将输入的直流电转化为第三频率的交流电后传输给所述高频变压器单元，所述高频变压器单元将所述第三频率的交流电转化为第四频率的交流电后传输给所述三相矩阵开关单元，所述三相矩阵开关单元将第四频率的交流电变换成第五频率的交流电后输出。

在本发明较佳的实施例中，所述交直流变换装置还包括第一谐振单元，所述第一谐振单元电性连接于所述三相矩阵开关单元和所述高频变压器单元之间，所述第一谐振单元用于提高系统效率。

在本发明较佳的实施例中，所述交直流变换装置还包括第二谐振单元，所述第二谐振单元电性连接于所述整流逆变单元和所述高频变压器单元之间，所述第二谐振单元用于提高系统效率。

在本发明较佳的实施例中，所述第一谐振单元或第二谐振单元包括LC串联谐振电路、LLC谐振电路、LC并联谐振电路或LCC串并联谐振电路其中的任意一种。

在本发明较佳的实施例中，所述交直流变换装置还包括吸收电路单元，在交流变换为直流的工作状态时，所述吸收电路单元电性连接于所述三相矩阵开关单元与所述高频变压器单元之间，在直流变换为交流的工作状态时，所述吸收电路单元电性连接于所述高频变压器单元与所述整流逆变单元之间，所述吸收电路单元用于吸收所述三相矩阵开关单元或所述整流逆变单元的电压浪涌。

在本发明较佳的实施例中，所述三相矩阵开关单元包括第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂、第四桥臂、第五桥臂、第六桥臂、第一电感、第二电感、第三电感、第一电容、第二电容以及第三电容，所述第一桥臂以及所述第二桥臂串联后与所述高频变压器单元电性连接，所述第三桥臂以及所述第四桥臂串联后与所述高频变压器单元电性连接，所述第五桥臂以及所述第六桥臂串联后与所述高频变压器单元电性连接；所述第一桥臂与所述第二桥臂之间电性连接所述第一电感后与三相电中的第一相电连接，所述第三桥臂与所述第四桥臂之间电性连接所述第二电感后与三相电中的第二相电连接，所述第五桥臂与所述第六桥臂之间电性连接所述第三电感后与三相电中的第三相电连接；所述第一电容、所述第二电容以及所述第三电容一端对应与所述第一电感、所述第二电感以及所述第三电感电性连接，所述第一电容、所述第二电容以及所述第三电容另一端电性连接。

在本发明较佳的实施例中，所述第一桥臂由两个功率器件组成，所述功率器件采用MOSFET或IGBT时，所述第一桥臂采用共源极连接方式或共射极连接方式；所述功率器件采用RB-IGBT时，所述第一桥臂采用反向并联。

在本发明较佳的实施例中，所述整流逆变单元包括全桥结构电路。

在本发明较佳的实施例中，所述整流逆变单元包括单相矩阵开关电路。

本发明实施例还提供了一种交直流变换系统，包括上述的交直流变换装置，所述交直流变换装置包括三相矩阵开关单元、高频变压器单元、整流逆变单元，所述三相矩阵开关单元、所述高频变压器单元以及所述整流逆变单元依次串联；在交流变换为直流的工作状态时，所述三相矩阵开关单元将输入的交流电转换为第一频率的交流电后传输给所述高频变压器单元，所述高频变压器单元将所述第一频率的交流电转换为第二频率的交流电后传输给所述整流逆变单元，所述整流逆变单元将接收到的所述第二频率的交流电转换为直流电后输出；在直流变换为交流的工作状态时，所述整流逆变单元将输入的直流电转化为第三频率的交流电后传输给所述高频变压器单元，所述高频变压器单元将所述第三频率的交流电转化为第四频率的交流电后传输给所述三相矩阵开关单元，所述三相矩阵开关单元将第四频率的交流电变换成第五频率的交流电后输出输出。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明实施例提供的一种交直流变换装置，交直流变换装置包括三相矩阵开关单元、高频变压器单元、整流逆变单元，三相矩阵开关单元、高频变压器单元以及整流逆变单元依次串联；在交流变换为直流的工作状态时，三相矩阵开关单元将输入的交流电转换为第一频率的交流电后传输给所述高频变压器单元，高频变压器单元将第一频率的交流电转换为第二频率的交流电后传输给整流逆变单元，整流逆变单元将接收到的第二频率转换为直流电后输出；在直流变换为交流的工作状态时，整流逆变单元将输入的直流电转化为第三频率的交流电后传输给高频变压器单元，高频变压器单元将第三频率的交流电转化为第四频率的交流电后传输给所述三相矩阵开关单元，所述三相矩阵开关单元将第四频率的交流电变换成第五频率的交流电输出。减少变换器的级数，减少电能变换的次数，提高系统的效率，简化拓扑结构，降低系统体积和重量，实现了直流到交流和交流到直流的变换。

本发明实施例还提供了一种交直流变换系统，包括上述交直流变换装置。减少变换器的级数，减少电能变换的次数，提高系统的效率，简化拓扑结构，降低系统体积和重量，实现了直流到交流和交流到直流的变换。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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。

图1示出了本发明实施例提供的一种交直流变换装置的原理示意图。

图2示出了本发明实施例提供的一种交直流变换装置的三相矩阵开关单元电路图。

图3示出了本发明实施例提供的一种交直流变换装置的功率器件的部分电路图。

图4示出了本发明实施例提供的一种交直流变换装置的功率器件另一部分电路图。

图5示出了本发明实施例提供的一种交直流变换装置的第一谐振单元的电路图。

图6示出了本发明实施例提供的一种交直流变换装置的整流逆变单元的电路图。

图标：100-交直流变换装置；110-三相矩阵开关单元；120-高频变压器单元；130-整流逆变单元；131-全桥结构电路；132-单相矩阵开关电路；150-第一谐振单元；151-LC串联谐振；152-LC并联谐振；153-LLC谐振；154-LCC串并联谐振。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

第一实施例

请参阅图1，本发明实施例提供了一种交直流变换装置100。交直流变换装置100包括三相矩阵开关单元110、高频变压器单元120、整流逆变单元130。三相矩阵开关单元110、高频变压器单元120以及整流逆变单元130依次串联。

请参阅图2，三相矩阵开关单元110包括第一桥臂S1、第二桥臂S2、第三桥臂S3、第四桥臂S4、第五桥臂S5、第六桥臂S6、第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3、第一电容C1、第二电容C2以及第三电容C3。第一桥臂S1以及第二桥臂S2串联后与高频变压器单元120电性连接，第三桥臂S3以及第四桥臂S4串联后与高频变压器单元120电性连接，第五桥臂S5以及第六桥臂S6串联后与高频变压器单元120电性连接，第一桥臂S1与第二桥臂S2之间电性连接第一电感L1后与三相电中的第一相A电连接，第三桥臂S3与第四桥臂S4之间电性连接第二电感L2后与三相电中的第二相B电连接，所述第五桥臂S5与第六桥臂S6之间电性连接所述第三电感L3后与三相电中的第三相C电连接；第一电容C1、第二电容C2以及第三电容C3一端对应与第一电感L1、第二电感L2以及第三电感L3电性连接，第一电容C1、第二电容C2以及第三电容C3另一端电性连接。

第一桥臂S1、第二桥臂S2、第三桥臂S3、第四桥臂S4、第五桥臂S5以及第六桥臂S6六个桥臂由十二个功率器件组成，每两只功率器件组成一个桥臂，形成一个双向开关，功率器件可以采用金氧半场效晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-EffectTransistor，MOSFET)或绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)时，所述第一桥臂采用共源极连接方式或共射极连接方式(如图3)；功率器件采用RB-IGBT时，两只功率器件采用反向并联(如图4)。

在交流变换为直流的工作状态时，输入的交流电经过三相矩阵开关单元110的第一相A、第二相B、第三相C后通过由第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3、第一电容C1、第二电容C2以及第三电容C3所构成的LC震荡电路，在经过第一桥臂S1、第二桥臂S2、第三桥臂S3、第四桥臂S4、第五桥臂S5以及第六桥臂S6放大后转换为第一频率的交流电后传输给高频变压器单元120。

在直流变换为交流的工作状态时，从高频变压器单元120传输的第四频率的交流电给三相矩阵开关单元110经过第一桥臂S1、第二桥臂S2、第三桥臂S3、第四桥臂S4、第五桥臂S5以及第六桥臂S6变换成第五频率的交流电后输出。

请参阅图5，交直流变换装置100还包括第一谐振单元150，第一谐振单元150可以采用LC串联谐振151、LLC谐振153、LC并联谐振152或LCC串并联谐振154。第一谐振单元150电性连接于三相矩阵开关单元110和高频变压器单元120之间。

第一谐振单元150使功率器件工作在零电流或零电压条件，降低开关损耗，用于于提高系统效率。

在本发明实施例中，仅包括第一谐振单元150，在本发明其他实施例中可以仅包括第二谐振单元或者包括第一谐振单元150和第二谐振单元。第二谐振单元电性连接与整流逆变单元130和高频变压器单元120之间，用于提高系统效率。

高频变压器单元120包括高频变压器，在本实施例中用高频变压器替代了工频变压器，减少系统的尺寸和重量。

在交流变换为直流的工作状态时，高频变压器单元120将第一频率的交流电转换为第二频率的交流电后传输给整流逆变单元130；在直流变换为交流的工作状态时，高频变压器单元120将第三频率的交流电转化为第四频率的交流电后传输给三相矩阵开关单元110。

请参阅图6，整流逆变单元130可以采用全桥结构电路131或者单相矩阵开关电路132。

全桥结构电路131包括四个IGBT管和四个二极管，第一IGBT管Q1与第二IGBT管Q2串联，第一IGBT管Q1的发射极与第二IGBT管Q2的集电极电性连接；第三IGBT管Q3与第三IGBT管Q3串联，第三IGBT管Q3的发射极与第四IGBT管Q4的集电极电性连接；第一IGBT管Q1、第二IGBT管Q2与第三IGBT管Q3、第四IGBT管Q4并联；每个IGBT管在发射极与集电极并联一二极管，二极管的阳极与IGBT管的发射极电性连接，二极管的阴极与IGBT管的集电极电性连接。高频变压器单元120两个端口分别接入第一IGBT管Q1、第二IGBT管Q2之间和第三IGBT管Q3、第四IGBT管Q4之间。

单相矩阵开关电路132包括第七桥臂S7、第八桥臂S8、第九桥臂S9丶第十桥臂S10，第七桥臂S7以及第八桥臂S8串联后与输出端口电性连接，第九桥臂S9以及第十桥臂S10串联后与输出端口电性连接电性连接，高频变压器单元120两个端口分别接入第七桥臂S7、第八桥臂S8之间和第九桥臂S9、第十桥臂S10之间。第七桥臂S7、第八桥臂S8、第九桥臂S9以及第十桥臂S10由八个功率器件组成，每两只功率器件组成一个桥臂，形成一个双向开关，功率器件可以采用金氧半场效晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-EffectTransistor，MOSFET)或绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)时，所述第一桥臂采用共源极连接方式或共射极连接方式(如图3)；功率器件采用RB-IGBT时，两只功率器件采用反向并联(如图4)。

在交流变换为直流的工作状态时，整流逆变单元130将接收到的第二频率的交流电转换为直流电后输出；在直流变换为交流的工作状态时，整流逆变单元130将输入的直流电转化为第三频率的交流电后传输给高频变压器单元120。

在本发明实施例中，交直流变换装置100还包括吸收电路单元(图未示)，所述交直流变换装置100还包括吸收电路单元，在交流变换为直流的工作状态时，所述吸收电路单元电性连接于所述三相矩阵开关单元110与所述高频变压器单元120之间；在直流变换为交流的工作状态时，所述吸收电路单元电性连接于所述高频变压器单元120与所述整流逆变单元130之间，所述吸收电路单元用于吸收所述三相矩阵开关单元110或所述整流逆变单元130的电压浪涌。

工作原理如下：

在交流变换为直流的工作状态时，三相矩阵开关单元110将输入的交流电转换为第一频率的交流电后传输给高频变压器单元120，高频变压器单元120将第一频率的交流电转换为第二频率的交流电后传输给整流逆变单元130，整流逆变单元130将接收到的第二频率的交流电转换为直流电后输出直流电。

在直流变换为交流的工作状态时，整流逆变单元130将输入的直流电转化为第三频率的交流电后传输给高频变压器单元120，高频变压器单元120将第三频率的交流电转化为第四频率的交流电后传输给三相矩阵开关单元110，三相矩阵开关单元110将第四频率的交流电变换成第五频率的交流电后输出。

本发明实施例还提供一种交直流变换系统，包括交直流变换装置100。交直流变换装置100包括三相矩阵开关单元110、高频变压器单元120、整流逆变单元130。三相矩阵开关单元110、高频变压器单元120以及整流逆变单元130依次串联。

综上，本发明实施例提供一种交直流变换装置。装置包括三相矩阵开关单元、高频变压器单元、整流逆变单元，三相矩阵开关单元、高频变压器单元以及整流逆变单元依次串联；在交流变换为直流的工作状态时，三相矩阵开关单元将输入的交流电转换为第一频率的交流电后传输给高频变压器单元，高频变压器单元将第一频率的交流电转换为第二频率的交流电后传输给整流逆变单元，整流逆变单元将接收到的第二频率的交流电转换为直流电后输出；在直流变换为交流的工作状态时，整流逆变单元将输入的直流电转化为第三频率的交流电后传输给高频变压器单元，高频变压器单元将第三频率的交流电转化为第四频率的交流电后传输给三相矩阵开关单元，三相矩阵开关单元将第四频率的交流电变换成第五频率的交流电后输出。减少变换器的级数，减少电能变换的次数，提高系统的效率，简化拓扑结构，降低系统体积和重量，实现了直流到交流和交流到直流的变换。本发明实施例还提供了一种了交直流变换系统，包括交直流变换装置。减少变换器的级数，减少电能变换的次数，提高系统的效率，简化拓扑结构，降低系统体积和重量，实现了直流到交流和交流到直流的变换。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

Claims (10)

1.一种交直流变换装置，其特征在于，所述交直流变换装置包括三相矩阵开关单元、高频变压器单元、整流逆变单元，所述三相矩阵开关单元、所述高频变压器单元以及所述整流逆变单元依次串联；

在交流变换为直流的工作状态时，所述三相矩阵开关单元将输入的交流电转换为第一频率的交流电后传输给所述高频变压器单元，所述高频变压器单元将所述第一频率的交流电转换为第二频率的交流电后传输给所述整流逆变单元，所述整流逆变单元将接收到的所述第二频率的交流电转换为直流电后输出；

在直流变换为交流的工作状态时，所述整流逆变单元将输入的直流电转化为第三频率的交流电后传输给所述高频变压器单元，所述高频变压器单元将所述第三频率的交流电转化为第四频率的交流电后传输给所述三相矩阵开关单元，所述三相矩阵开关单元将所述第四频率的交流电变换成第五频率的交流电后输出。

2.如权利要求1所述的交直流变换装置，其特征在于，所述交直流变换装置还包括第一谐振单元，所述第一谐振单元电性连接于所述三相矩阵开关单元和所述高频变压器单元之间，所述第一谐振单元用于提高系统效率。

3.如权利要求2所述的交直流变换装置，其特征在于，所述交直流变换装置还包括第二谐振单元，所述第二谐振单元电性连接于所述整流逆变单元和所述高频变压器单元之间，所述第二谐振单元用于提高系统效率。

4.如权利要求3所述的交直流变换装置，其特征在于，所述第一谐振单元或所述第二谐振单元包括LC串联谐振电路、LLC谐振电路、LC并联谐振电路或LCC串并联谐振电路其中的任意一种。

5.如权利要求1所述的交直流变换装置，其特征在于，所述交直流变换装置还包括吸收电路单元，在交流变换为直流的工作状态时，所述吸收电路单元电性连接于所述三相矩阵开关单元与所述高频变压器单元之间，在直流变换为交流的工作状态时，所述吸收电路单元电性连接于所述高频变压器单元与所述整流逆变单元之间，所述吸收电路单元用于吸收所述三相矩阵开关单元或所述整流逆变单元的电压浪涌。

6.如权利要求1所述的交直流变换装置，其特征在于，所述三相矩阵开关单元包括第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂、第四桥臂、第五桥臂、第六桥臂、第一电感、第二电感、第三电感、第一电容、第二电容以及第三电容，所述第一桥臂以及所述第二桥臂串联后与所述高频变压器单元电性连接，所述第三桥臂以及所述第四桥臂串联后与所述高频变压器单元电性连接，所述第五桥臂以及所述第六桥臂串联后与所述高频变压器单元电性连接；

所述第一桥臂与所述第二桥臂之间电性连接所述第一电感后与三相电中的第一相电连接，所述第三桥臂与所述第四桥臂之间电性连接所述第二电感后与三相电中的第二相电连接，所述第五桥臂与所述第六桥臂之间电性连接所述第三电感后与三相电中的第三相电连接；

所述第一电容、所述第二电容以及所述第三电容一端对应与所述第一电感、所述第二电感以及所述第三电感电性连接，所述第一电容、所述第二电容以及所述第三电容另一端电性连接。

7.如权利要求6所述的交直流变换装置，其特征在于，所述第一桥臂由两个功率器件组成，两个所述功率器件采用MOSFET或IGBT时，所述第一桥臂采用共源极连接方式或共射极连接方式；两个所述功率器件采用RB-IGBT时，所述第一桥臂采用反向并联。

8.如权利要求1所述的交直流变换装置，其特征在于，所述整流逆变单元包括全桥结构电路。

9.如权利要求1所述的交直流变换装置，其特征在于，所述整流逆变单元包括单相矩阵开关电路。

10.一种交直流变换系统，包括权利要求1-9任一项所述的交直流变换装置，其特征在于，所述交直流变换装置包括三相矩阵开关单元、高频变压器单元、整流逆变单元，所述三相矩阵开关单元、所述高频变压器单元以及所述整流逆变单元依次串联；

在交流变换为直流的工作状态时，所述三相矩阵开关单元将输入的交流电转换为第一频率的交流电后传输给所述高频变压器单元，所述高频变压器单元将所述第一频率的交流电转换为第二频率的交流电后传输给所述整流逆变单元，所述整流逆变单元将接收到的所述第二频率的交流电转换为直流电后输出；

在直流变换为交流的工作状态时，所述整流逆变单元将输入的直流电转化为第三频率的交流电后传输给所述高频变压器单元，所述高频变压器单元将所述第三频率的交流电转化为第四频率的交流电后传输给所述三相矩阵开关单元，所述三相矩阵开关单元将所述第四频率的交流电变换成第五频率的交流电后输出。