CN107086795B - 一种Boost型交交直接变换器拓扑 - Google Patents

一种Boost型交交直接变换器拓扑 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种Boost型交交直接变换器拓扑，包括：用于对输入电压进行升压的升压电感，用于根据控制指令使所述Boost型交交直接变换器拓扑工作在前级升压模态、交流正半周升压输出模态、交流负半周升压输出模态和充电模态其中之一的桥式电路，所述升压电感与所述桥式电路串联。该拓扑结构利用升压模块对输入电压进行有效升压，可以很好的实现交流电压输入，高等级的交流电压输出，解决了现有技术中变换器拓扑的电压等级较低的技术问题。

Description

一种Boost型交交直接变换器拓扑
技术领域
本发明涉及电能转换的技术领域，特别涉及一种Boost型交交直接变换器拓扑。
背景技术
随着大容量、新能源、特殊环境电能变换技术，特别是近年来流行的电力电子变压器、正弦交流调压器、交流斩波器和柔性交流输电系统(FACTS)控制器等，能源系统对交交变换器的灵活性和稳定性要求也日益苛刻，传统两电平变换器拓扑已无法满足器件高等级电压电流的要求。
设计满足高等级电压要求的变换器拓扑是我们的研究方向。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种Boost型交交直接变换器拓扑，解决了现有技术中变换器拓扑的电压电流等级较低的技术问题。
本发明解决其技术问题的解决方案是：一种Boost型交交直接变换器拓扑，包括：用于对输入电压进行升压的升压电感，用于根据控制指令使所述Boost型交交直接变换器拓扑工作在前级升压模态、交流正半周升压输出模态、交流负半周升压输出模态和充电模态其中之一的桥式电路，所述升压电感与所述桥式电路串联。
进一步，所述桥式电路包括相互对称的上、下半桥，所述上半桥包括n个升压模块、第一、第二双向开关，所述升压模块设有端口A和端口B，所述n个升压模块之间串联，第一升压模块的端口A与第一双向开关连接，第n升压模块的端口B与第二双向开关连接，所述第一双向开关与所述第二双向开关之间引出节点，所述节点与所述升压电感连接。
进一步，所述升压模块包括储能电容、第一、第二、第三功率开关管、第一二极管、第二二极管，所述第一功率开关管的集电极分别与所述第二功率开关管的集电极、第二二极管的负极、储能电容的正极连接，所述第一功率开关管的发射极与所述第三功率开关管的集电极连接，所述第二功率开关管的发射极分别与所述第二二极管的正极、第一二极管的负极连接，所述第三功率开关管的发射极分别与所述第一二极管的正极、储能电容的负极连接，所述端口B位于所述第一功率开关管的发射极与所述第三功率开关管的集电极之间，所述端口A位于所述第二功率开关管的发射极与所述第一二极管的负极之间。
本发明的有益效果是：该拓扑结构利用升压模块对输入电压进行有效升压，可以很好的实现交流电压输入，高等级的交流电压输出，解决了现有技术中变换器拓扑的电压等级较低的技术问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单说明。显然，所描述的附图只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，本领域的技术人员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设计方案和附图。
图1是Boost型交交变换器拓扑电路结构示意图；
图2是Boost型交交变换器拓扑工作在前级升压模态的示意图；
图3是Boost型交交变换器拓扑工作在交流正半周升压输出模态的示意图；
图4是Boost型交交变换器拓扑工作在交流负半周升压输出模态的示意图；
图5是Boost型交交变换器拓扑工作在充电模态的示意图；
图6是升压模块的电路结构示意图；
具体实施方式
以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。另外，文中所提到的所有联接/连接关系，并非单指构件直接相接，而是指可根据具体实施情况，通过添加或减少联接辅件，来组成更优的联接结构。本发明创造中的各个技术特征，在不互相矛盾冲突的前提下可以交互组合。
实施例1，参考图1和图6，一种Boost型交交直接变换器拓扑，为了更加形象地描述所述拓扑，给所述拓扑级联交流电源1和负载R1，所述拓扑包括：用于对输入电压进行升压的升压电感2、用于根据控制指令使所述Boost型交交直接变换器拓扑工作在前级升压模态、交流正半周升压输出模态、交流负半周升压输出模态和充电模态其中之一的桥式电路。
所述桥式电路包括相互对称的上、下半桥，所述上半桥包括n个升压模块、2个双向开关，所述n个升压模块标号为：升压模块1、…、n-1、n，所述升压模块1、…、n-1、n以端口B连接端口A的方式串联，端口网络从上往下为：AB…ABAB，其中升压模块1的端口A与第一双向开关3连接，升压模块n的端口B与第二双向开关4连接。文中的n为自然数，指的是升压模块的数量，Boost型交交直接变换器拓扑的升压幅值跟升压模块的数量有关，数量越高，升压的幅值越高。
由于上、下半桥为对称关系，所以所述下半桥同样包括n个升压模块、2个双向开关，所述n个升压模块标号为：升压模块n+1、…、2n-1、2n，由于对称，所述升压模块n+1、…、2n-1、2n以端口A连接端口B的方式串联，端口网络从上往下为：BA…BABA，其中升压模块n+1的端口B分别与第二双向开关4、第三双向开关5连接，所述升压模块2n与所述第四双向开关6连接。
在所述第一双向开关3与所述第二双向开关4之间引出第一节点，在所述第三双向开关5与所述第四双向开关6之间引出第二节点，所述交流电源1的一端通过升压电感2与所述第一节点连接，所述交流电源1的另一端与所述第二节点连接。
参考图2，当Boost型交交直接变换器拓扑工作在前级升压模态时：电流从交流电源1出发，流经升压电感2、第二双向开关4、第三双向开关5，最后流向交流电源1。该工作模态用于将交流电源1的电能转化为升压电感2储存的能量。
参考图3，当Boost型交交直接变换器拓扑工作在交流正半周升压输出模态时：此时交流电源1在正半周输出电流，所述电流从交流电源1出发，流经升压电感2、第二双向开关4、升压模块n、n-1、…、1、负载R1、第四双向开关6，最后流向交流电源1构成回路。此时输出的电压为输入电压、升压模块n、n-1、…、1的电压之和，从而实现对输入电压的正半周的升压功能。
参考图4，当Boost型交交直接变换器拓扑工作在交流负半周升压输出模态时：此时交流电源1在负半周输出电流，电流从交流电源1出发，流经升压电感2、第一双向开关3、负载R1、升压模块2n、2n-1…、n、第三双向开关5，最后流向交流电源1构成回路。此时输出的电压为输入电压、升压模块2n、2n-1…、n的电压之和，从而实现对输入电压负半周的升压功能。
参考图5，当Boost型交交直接变换器拓扑工作在充电模态时：此时电流从交流电源1出发，流经升压电感2、第一双向开关3、负载R1、第四双向开关6，最后流向交流电源1构成回路。同时，此模态对升压模块进行充电，当输入电压为正时，上半桥的升压模块进行充电，当输入电压为负时，下半桥的升压模块进行充电。
参考图6，下面从升压模块的角度对本发明创造进行进一步描述，所述升压模块包括储能电容C、第一、第二、第三功率开关管TA1、TA2、TA3、第一二极管DA1、第二二极管DA2，所述第一功率开关管TA1的集电极分别与所述第二功率开关管TA2的集电极、第二二极管DA2的负极、储能电容C的正极连接，所述第一功率开关管TA1的发射极与所述第三功率开关管TA3的集电极连接，所述第二功率开关管TA2的发射极分别与所述第二二极管DA2的正极、第一二极管DA1的负极连接，所述第三功率开关管TA3的发射极分别与所述第一二极管DA1的正极、储能电容C的负极连接，所述端口B位于所述第一功率开关管TA1的发射极与所述第三功率开关管TA3的集电极之间，所述端口A位于所述第二功率开关管TA2的发射极与所述第一二极管DA1的负极之间。
升压模块可根据控制指令使其工作在充电模式、放电模式、隔断模式和旁路模式其中一种。
所述充电模式，电流由端口A流入，经第二功率开关管TA2、储能电容C、第三功率开关管TA3，然后由端口B流出；
所述放电模式，电流由端口B流入，经第三功率开关管TA3、储能电容C、第二功率开关管TA2，然后由端口A流出；
所述阻断模式，无电流流通；
所述旁路模式，电流由端口B流入，经第三功率开关管TA3、第一二极管DA1，然后由端口A流出。
当Boost型交交直接变换器拓扑工作在前级升压模态时，2n个升压模块均处于阻断模式。
当Boost型交交直接变换器拓扑工作在交流正半周升压输出模态时：所述升压模块n、n-1、…、1处于放电模式，所述升压模块n、2n、2n-1…、n处于阻断模式。
当Boost型交交直接变换器拓扑工作在交流负半周升压输出模态时：所述升压模块n、n-1、…、1处于阻断模式，所述升压模块2n、2n-1…、n处于放电模式。
当Boost型交交直接变换器拓扑工作在充电模态时，当输入电压为正时，升压模块n、n-1、…、1处于充电模式，当输入电压为负时，升压模块2n、2n-1…、n处于充电模式。
以上对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (1)

1.一种Boost型交交直接变换器拓扑，其特征在于，包括：用于对输入电压进行升压的升压电感，用于根据控制指令使所述Boost型交交直接变换器拓扑工作在前级升压模态、交流正半周升压输出模态、交流负半周升压输出模态和充电模态其中之一的桥式电路，所述升压电感与所述桥式电路串联；
所述桥式电路包括相互对称的上、下半桥，所述上半桥包括n个升压模块、第一、第二双向开关，每个所述升压模块设有端口A和端口B，所述n个升压模块之间串联，后一个升压模块的端口A与前一个升压模块的端口B连接，第一升压模块的端口A与第一双向开关连接，第n升压模块的端口B与第二双向开关连接，所述第一双向开关与所述第二双向开关之间引出节点，所述节点与所述升压电感连接，n个升压模块标号为：升压模块1、…、n-1、n；
下半桥包括n个升压模块、第三双向开关和第四双向开关，其中，每个所述升压模块设有端口A和端口B，n个升压模块标号为：升压模块n+1、…、2n-1、2n，升压模块n+1、…、2n-1、2n以端口A连接端口B的方式串联，后一个升压模块的端口A与前一个升压模块的端口B连接，升压模块n+1的端口B分别与第二双向开关、第三双向开关连接，所述升压模块2n与所述第四双向开关连接；
在所述第一双向开关与所述第二双向开关之间引出第一节点，在所述第三双向开关与所述第四双向开关之间引出第二节点，交流电源的一端通过升压电感与所述第一节点连接，所述交流电源的另一端与所述第二节点连接；负载的一端与升压模块1的端口A连接，所述负载的另一端与升压模块2n的端口A连接；
所述升压模块包括储能电容、第一、第二、第三功率开关管、第一二极管、第二二极管，所述第一功率开关管的集电极分别与所述第二功率开关管的集电极、第二二极管的负极、储能电容的正极连接，所述第一功率开关管的发射极与所述第三功率开关管的集电极连接， 所述第二功率开关管的发射极分别与所述第二二极管的正极、第一二极管的负极连接，所述第三功率开关管的发射极分别与所述第一二极管的正极、储能电容的负极连接，所述端口B位于所述第一功率开关管的发射极与所述第三功率开关管的集电极之间，所述端口A位于所述第二功率开关管的发射极与所述第一二极管的负极之间；
当Boost型交交直接变换器拓扑工作在前级升压模态时：电流从交流电源出发，流经升压电感、第二双向开关、第三双向开关，最后流向交流电源；该工作模态用于将交流电源的电能转化为升压电感储存的能量；
当Boost型交交直接变换器拓扑工作在交流正半周升压输出模态时：此时交流电源在正半周输出电流，所述电流从交流电源出发，流经升压电感、第二双向开关、升压模块n、n-1、…、1、负载、第四双向开关，最后流向交流电源构成回路；此时输出的电压为输入电压、升压模块n、n-1、…、1的电压之和，从而实现对输入电压的正半周的升压功能；
当Boost型交交直接变换器拓扑工作在交流负半周升压输出模态时：此时交流电源在负半周输出电流，电流从交流电源出发，流经升压电感、第一双向开关、负载、升压模块2n、2n-1…、n、第三双向开关，最后流向交流电源构成回路；此时输出的电压为输入电压、升压模块2n、2n-1…、n的电压之和，从而实现对输入电压负半周的升压功能；
当Boost型交交直接变换器拓扑工作在充电模态时：此时电流从交流电源出发，流经升压电感、第一双向开关、负载、第四双向开关，最后流向交流电源构成回路；同时，此模态对升压模块进行充电，当输入电压为正时，上半桥的升压模块进行充电，当输入电压为负时，下半桥的升压模块进行充电。
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