CN107147303B - 一种单相x型互错式三电平交流调压电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种单相X型互错式三电平交流调压电路，包括主电路部分和开关管保护部分，其中主电路部分包括电源Ui、电感Li、电感Lo、电容C1、电容C2、电容C、IGBT开关管S1、IGBT开关管S2、IGBT开关管S3、IGBT开关管S4、IGBT开关管S5、IGBT开关管S6、二极管D1～D4、二极管D01～D08、电阻R。开关管保护部分包括电感Lr、电容Cr、电容CS。所涉及的元器件数量较少、成本低，调压变换电路结构简单，可以实现输入与输出的反相位电压调节，具有单级变换、输出电压谐波少、电压应力小、且输出电压调节范围大的优点。

Description

一种单相X型互错式三电平交流调压电路
技术领域
本发明涉及电力电子调压技术领域，特别涉及一种包括开关管保护电路的反相位输出的一种单相X型互错式三电平交流调压电路。
背景技术
交流调压电路是将交流输入电压通过变换电路转换为一定范围内电压可调的交流电的电路。随着电力电子技术的飞速发展，各行各业对电气设备性能要求的提高，对电压的性能要求越来越高。许多行业的用电设备不是直接使用电网提供的交流电作为电源，而是通过各种调压电路对电网交流电进行变换，从而得到各自需要的电能形式。
CN101039078A公开了一种非隔离式的直接调压电路。CN102185481B和CN102882389A讲述的是从交流到直流变换的一种电路结构，只能应用于LED照明电路中。迄今为止，国内外电力电子研究人员对于调压电路的研究，主要集中在AC-DC-AC的间接变换和DC-DC变换形式，对AC-AC调压的研究多集中于同相位变换的电路结构；对多电平调压变换电路的研究也较两电平调压电路少，而且多电平电路的研究主要集中在多电平逆变器中，对于多电平AC-AC直接变换调压电路的研究也比较有限。所研究的调压电路大多存在电路结构复杂、输出电压波形质量不高、调压过程慢等缺陷。
在实现本发明时，发明人发现对于该电路中的双管双向开关管，在不加缓冲电路的情况下即可实现软关断，但单管双向开关管却存在大量峰值很高的尖峰电压，而且现有的RCD等开关管缓冲电路在单管双向开关管的开断过程中仍出现不少尖峰电压，不能很好地实现软开断，这无疑会增加开关损耗，降低电路的调压效率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种单相X型互错式三电平交流调压电路，该电路可以实现AC/AC斩波直接反相位变换，以直流变换电路结构为基础，利用X型互错式开关管的结构输出三电平，使调压电路具有三电平调压变换电路的优势，具有电路结构简单、单级变换、输出电压谐波少、电压应力小、且输出电压调节快的优点。同时，电路中的开关管保护部分可以实现单管双向开关管的软关断，减小开关损耗。
本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：一种单相X型互错式三电平交流调压电路，包括主电路部分和开关管保护部分，其中主电路部分包括电源Ui、电感Li、电感Lo、电容C1、电容C2、电容C、IGBT开关管S1、IGBT开关管S2、IGBT开关管S3、IGBT开关管S4、IGBT开关管S5、IGBT开关管S6、二极管D1～D4、二极管D01～D08、电阻R。开关管保护部分包括Lr1(Lr2)、电容Cr1(Cr2)、电容CS1(CS2)。IGBT开关管S1、IGBT开关管S2、D1、D2构成双管双向开关管；IGBT开关管S3、IGBT开关管S4、D3、D4构成另一个双管双向开关管；IGBT开关管S5、D01～D04构成单管双向开关管；IGBT开关管S6、D05～D08构成另一个单管双向开关管。上述器件的连接方式为：电源Ui的一端与Li的一端连接，Li的另一端与C1、CS1、Lr1的一端连接，同时与S1的漏极、D1的阴极连接，S1的源极与S2的源极、D2的阳极连接，S2的漏极与D2的阴极连接，同时与Ui的另一端、CS2、Lr2、C2的一端连接，Lr1的另一端接D01的阳极、D03的阴极，D01的阴极与D02的阴极、S5的漏极、Cr1的一端连接，S5的源极与D03的阳极、D04的阳极、Cr1的另一端连接，Lr2的另一端接D05的阳极、D07的阴极，D05的阴极与D06的阴极、S6的漏极、Cr2的一端连接，S6的源极与D07的阳极、D08的阳极、Cr2的另一端连接，C1的另一端与D06的阳极、D08的阴极、CS2的另一端连接，同时与S3的漏极连接、Lo的一端连接，C2的另一端与D02的阳极、D04的阴极、CS2的另一端连接，同时与S4的漏极连接，S3的漏极与D3的阴极连接，S3的源极与D3的阳极、S4的源极连接，S4的源极与D4的阳极连接，S4的漏极与D4的阴极连接，Lo的另一端与C、R的一端连接，C、R的另一端都与S4的漏极连接。
上述一种单相X型互错式三电平交流调压电路，其主电路调压变换的工作原理为：根据单相三电平AC-AC变换电路输入电压Ui的极性划分，调压变换电路分为(I)、(II)两个模态，每个模态下又分为四个开关模式。
其中(I)模态为当Ui＞0时，开关管S2、S4处于半周期截止状态，四个开关模式为：
开关模式1：S5导通，其余关断。电源Ui通过Ui、Li、D01、S5、D04、C2构成的回路为电容C2充电，电容C2右端为正，同时为电感Li储能，而电容C1通过C1、D01、S5、D04、R、Lo构成的回路为电感Lo和负载R供电。此时ab两端输出的电平为-UC，其中UC为C1两端的电压；
开关模式2：S1导通，其余关断。电源Ui通过Ui、Li、S1、D2构成的回路为电感Li储能，而电容C1、C2通过C1、S1、D2、C2、R、Lo构成的回路为电感Lo和负载R供电。此时ab两端输出的电平为-2UC，其中2UC为C1、C2两端的电压；
开关模式3：S6导通，其余关断。电源Ui、电感Li通过Ui、Li、C1、D06、S6、D07构成的回路为电容C1充电，电容C1左端为正，而电容C2通过R、Lo、D06、S6、D07构成的回路为电感Lo和负载R供电。此时ab两端输出的电平为-UC，其中UC为C2两端的电压；
开关模式4：S3导通，其余关断。电源Ui、电感Li通过Ui、Li、C1、S3、D4、C2构成的回路为电容C1、C2充电，而电感Lo通过Lo、S3、D4、R构成的回路为负载R续流。此时ab两端输出的电平为零。
(II)模态为当Ui＜0时，开关管S1、S3处于半周期截止状态，四个开关模式为：
开关模式1：S6导通，其余关断。电源Ui通过Ui、D05、S6、D08、C1、Li构成的回路为电容C1充电，电容C1右端为正，同时为电感Li储能，而电容C2通过C2、D05、S6、D08、Lo、R构成的回路为电感Lo和负载R供电。此时ab两端输出的电平为UC，其中UC为C2两端的电压；
开关模式2：S2导通，其余关断。电源Ui通过Ui、S2、D1、Li构成的回路为电感Li储能，而电容C1、C2通过C1、Lo、R、C2、S2、D1构成的回路为电感Lo和负载R供电。此时ab两端输出的电平为2UC，其中2UC为C1、C2两端的电压；
开关模式3：S5导通，其余关断。电源Ui、电感Li通过Ui、C2、D02、S5、D03、Li构成的回路为电容C2充电，电容C2左端为正，而电容C1通过C1、Lo、R、D02、S5、D03构成的回路为电感Lo和负载R供电。此时ab两端输出的电平为UC，其中UC为C1两端的电压；
开关模式4：S4导通，其余关断。电源Ui、电感Li通过Ui、C2、S4、D3、C1、Li构成的回路为电容C1、C2充电，而电感Lo通过Lo、R、S4、D3构成的回路为负载R续流。此时ab两端输出的电平为零。
上述一种单相X型互错式三电平交流调压电路，输出电压与输入电压实现了反相位变换。
上述一种单相X型互错式三电平交流调压电路，只要调节好ab输出端的0、UC、2UC三个电平导通时间，就可以自如实现输入与输出电压的升降压功能，而且ab端的电压输出为三电平形式，属多电平变换技术，较两电平电路拥有输出电压正弦度高、电压应力小、电压谐波少、畸变率低的优势。
上述一种单相X型互错式三电平交流调压电路，在实际应用中为了避免开关管被击穿，所用开关管保护电路即CLC缓冲电路是一种新型的拓扑电路，由电感Lr、电容Cr、CS组成，CLC与单管双向开关管的续流二极管相结合，可以实现变换电路中单管双向开关管的软关断，具有减小尖峰电压和电压应力，减缓开关管电压迅速上升的特点。
上述一种单相X型互错式三电平交流调压电路，所用开关管保护电路即CLC缓冲电路，主要用于保护主电路中的单管双向开关管，对于其他Buck、Boost、Buck-boost等交流直接变换电路中应用到单管双向开关管的电路同样适用。
上述一种单相X型互错式三电平交流调压电路，所用CLC缓冲电路的工作原理为：可以分为开关管S5和开关管S6的过程分析，其中又分为开关管的开通过程与关断过程分析，开关管S5的过程分析如下：1)开关管S5开通时，因电路中因缓冲电感Lr和二极管D01开启效应的作用，开关管S5实现零电流导通。S5导通后，电容Cr两端电压VCr先发生下降变化，VCr＜VCS，此时电源和Cs共同为Lr储能，电感电流iLr逐渐上升，因电容CS的存在，iLr大于电路中电流，之后VCr与VCS不断下降，电感与开关管中的电流逐渐恢复到电路电流，最后，VCr＝VCS＝0，iLr＝iSI＝IL，开通过程结束。变换器进入正常工作状态。2)开关管S5关断，因缓冲电容Cr电压不突变的特性，电容两端电压VCr仍为0，开关管实现了零电压关断。开关管S5中的电流iS1迅速下降，但电感电流iLr不会迅速下降，此时iLr通过D01、Cr、D03形成回路，VCr与VCS同步上升。当开关管S5完全截止，Cr在电源和缓冲电感放电的作用下电压还在升高，直到上升至UC。最后，VCr＝VCS＝UC，iLr＝iS1＝0，关断过程结束。变换器进入正常工作状态。开关管S6的开通与关断过程与S5类似。
上述一种单相X型互错式三电平交流调压电路，其中所涉及的零部件均是本技术领域的技术人员所熟知并可以商购获得的，所涉及的零部件连接和安装方法是本技术领域的技术人员所能掌握的。
本发明的显著进步是，与现有技术相比，本发明突出的实质性特点和显著进步如下：
1)本发明一种单相X型互错式三电平交流调压电路，为一种新型的三电平AC-AC调压电路，可以实现输入与输出电压的反相位变换。
2)本发明一种单相X型互错式三电平交流调压电路，具有拓扑简单、电压应力小、单级变换等优点，它不仅实现了三电平的转换和输出电压的宽范围调节，提高了电路的功率密度和效率，还减少了电压波形的畸变率和IGBT开关管的导通损耗。
3)本发明一种单相X型互错式三电平交流调压电路，在调压变换电路的模式切换中，每次仅有两个开关管之间进行变换，相对于其他多电平交流调压电路的导通模式之间的切换较为简单，在每个模式下仅有一个开关管处于导通状态，减小了损耗，提高了变换效率，且在输入电压正负周期中，两对结构对称且导通时间对称的开关管，这对于调压变换电路的控制驱动电路提供了便利条件。
4)本发明一种单相X型互错式三电平交流调压电路，应用一种新型的开关管保护电路CLC缓冲电路，降低了IGBT开关管因过电压而击穿的风险。在主电路工作过程中每个工作模态无需设置死区时间，实现了IGBT开关管的软关断。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明一种单相X型互错式三电平交流调压电路的总电路拓扑图。
图2是本发明一种单相X型互错式三电平交流调压电路的主电路工作过程原理图。
图3是本发明一种单相X型互错式三电平交流调压电路的开关管保护电路拓扑图。
具体实施方式
图1所示实施例表明，本发明一种单相X型互错式三电平交流调压电路的总电路拓扑结构，包括交流电源Ui，七个电容C1、C2、C、Cr1、Cr2、CS1、CS2、，四个电感Li、Lo、Lr1、Lr2，六个IGBT开关管S1、S2、S3、S4、S5、S6，十二个快恢复二极管D1～D4、D01～D08，一个电阻R。其中S1、S2、D1、D2组成双管双向开关管，S3、S4、D3、D4组成另一个双管双向开关管，S5、D01～D04构成单管双向开关管，S6、D05～D08构成另一个单管双向开关管。上述器件的连接方式为：输入电源Ui的一端与Li的一端连接，Li的另一端与C1、CS1、Lr1的一端连接，同时与S1的漏极、D1的阴极连接，S1的源极与S2的源极、D2的阳极连接，S2的漏极与D2的阴极连接，同时与Ui的另一端、CS2、Lr2、C2的一端连接，Lr1的另一端与D01的阳极、D03的阴极连接，D01的阴极与D02的阴极、S5的漏极、Cr1的一端连接，S5的源极与D03的阳极、D04的阳极、Cr1的另一端连接，Lr2的另一端与D05的阳极、D07的阴极连接，D05的阴极与D06的阴极、S6的漏极、Cr2的一端连接，S6的源极与D07的阳极、D08的阳极、Cr2的另一端连接，C1的另一端与D06的阳极、D08的阴极、CS2的另一端连接，同时与S3的漏极连接、Lo的一端连接，C2的另一端与D02的阳极、D04的阴极、CS2的另一端连接，同时与S4的漏极连接，S3的漏极与D3的阴极连接，S3的源极与D3的阳极、S4的源极连接，S4的源极与D4的阳极连接，S4的漏极与D4的阴极连接，Lo的另一端与C、R的一端连接，C、R的另一端都与S4的漏极连接。该图实例表明，此三电平电路的电路结构满足Cuk型电路基本结构，两个单管双向开关管X型互错于C1、C2两电容间电路中，元器件数量较少，结构简单，且存在对称结构，在输入电源的正负半周期可实现对称控制，控制方式简单。
图2所示实施例表明，本发明一种单相X型互错式三电平交流调压电路的主电路调压变换工作过程原理图，其中图(I)为模态(I)时的四个开关模式图，此模态下电容C1左端为正，电容C2右端为正。图(a)为开关模式1：S5导通，其余关断。电源Ui、Li、D01、S5、D04、C2构成的回路，电容C1、D01、S5、D04、R、Lo构成的回路。图(b)为开关模式2：S1导通，其余关断。电源Ui、Li、S1、D2构成的回路，电容C1、S1、D2、C2、R、Lo构成的回路。图(c)为开关模式3：S6导通，其余关断。电源Ui、Li、C1、D06、S6、D07构成的回路，电容C2、R、Lo、D06、S6、D07构成的回路。图(d)为开关模式4：S3导通，其余关断。电源Ui、Li、C1、S3、D4、C2构成的回路，电感Lo、S3、D4、R构成的回路。图(II)为模态(II)时的四个开关模式，此模态下电容C1右端为正，电容C2左端为正。图(e)为开关模式1：S6导通，其余关断。电源Ui、D05、S6、D08、C1、Li构成的回路，电容C2、D05、S6、D08、Lo、R构成的回路。图(f)为开关模式2：S2导通，其余关断。电源Ui、S2、D1、Li构成的回路，电容C1、C2通过C1、Lo、R、C2、S2、D1构成的回路。图(g)为开关模式3：S5导通，其余关断。电源Ui、C2、D02、S5、D03、Li构成的回路，电容C1、Lo、R、D02、S5、D03构成的回路。图(h)为开关模式4：S4导通，其余关断。电源Ui、C2、S4、D3、C1、Li构成的回路，电感Lo、R、S4、D3构成的回路。
图3所示实施例表明，本发明一种单相X型互错式三电平交流调压电路的开关管S5、S6的CLC缓冲保护电路，包含一个电感Lr、两个电容CS、Cr。电路中的电容CS一端与电感Lr一端连接，电感Lr另一端与D01(D05)的阳极、D03(D07)的阴极连接，D01(D05)的阴极接开关管S5(S6)的漏极、D02(D06)的阴极、电容Cr的一端，S5(S6)的源极接D03(D07)的阳极、D04(D08)的阳极、电容Cr的另一端，D04(D08)的阴极接D02(D06)的阳极、电容CS的另一端。CLC电路与单管双向开关管中的二极管结合，实现变换电路中开关管的零开断。对于其他Buck、Boost、Buck-boost等交流直接变换电路中应用到单管双向开关管的电路同样适用。

Claims (4)

1.一种单相X型互错式三电平交流调压电路，其特征在于：包括主电路部分和开关管保护部分，其中主电路部分包括电源Ui、电感Li、电感Lo、电容C1、电容C2、电容C、IGBT开关管S1、IGBT开关管S2、IGBT开关管S3、IGBT开关管S4、IGBT开关管S5、IGBT开关管S6、二极管D1～D4、二极管D01～D08，开关管保护部分包括电感Lr1、电感Lr2、电容Cr1、电容Cr2、电容CS1、电容CS2；上述器件的连接方式为：电源Ui的一端与Li的一端连接，Li的另一端与C1、CS1、Lr1的一端连接，同时与S1的漏极、D1的阴极连接，S1的源极与S2的源极、D2的阳极连接，S2的漏极与D2的阴极连接，同时与Ui的另一端、CS2、Lr2、C2的一端连接，Lr1的另一端接D01的阳极、D03的阴极，D01的阴极与D02的阴极、S5的漏极、Cr1的一端连接，S5的源极与D03的阳极、D04的阳极、Cr1的另一端连接，Lr2的另一端接D05的阳极、D07的阴极，D05的阴极与D06的阴极、S6的漏极、Cr2的一端连接，S6的源极与D07的阳极、D08的阳极、Cr2的另一端连接，C1的另一端与D06的阳极、D08的阴极、CS2的另一端连接，同时与S3的漏极连接、Lo的一端连接，C2的另一端与D02的阳极、D04的阴极、CS2的另一端连接，同时与S4的漏极连接，S3的漏极与D3的阴极连接，S3的源极与D3的阳极、S4的源极连接，S4的源极与D4的阳极连接，S4的漏极与D4的阴极连接，Lo的另一端与C、R的一端连接，C、R的另一端都与S4的漏极连接；两个单管双向开关管X型互错于C1、C2两电容间电路中，构成电路结构。
2.根据权利要求1所述一种单相X型互错式三电平交流调压电路，其特征在于：所述电容C1、电容C2的容值相等。
3.根据权利要求1所述一种单相X型互错式三电平交流调压电路，其特征在于：开关管驱动电路采用英飞凌1ED020I12-F驱动芯片，控制芯片采用dsPIC30f6014A。
4.根据权利要求1所述一种单相X型互错式三电平交流调压电路，其特征在于：分为(I)、(II)两个模态，每个模态下又分为四个开关模式，
其中(I)模态为当Ui＞0时，开关管S2、S4处于半周期截止状态，四个开关模式为：
开关模式1：S5导通，其余关断；电源Ui通过Ui、Li、D01、S5、D04、C2构成的回路为电容C2充电，电容C2右端为正，同时为电感Li储能，而电容C1通过C1、D01、S5、D04、R、Lo构成的回路为电感Lo和负载R供电；此时ab两端输出的电平为-UC，其中UC为C1两端的电压；
开关模式2：S1导通，其余关断；电源Ui通过Ui、Li、S1、D2构成的回路为电感Li储能，而电容C1、C2通过C1、S1、D2、C2、R、Lo构成的回路为电感Lo和负载R供电，此时ab两端输出的电平为-2UC，其中2UC为C1、C2两端的电压；开关模式3：S6导通，其余关断；电源Ui、电感Li通过Ui、Li、C1、D06、S6、D07构成的回路为电容C1充电，电容C1左端为正，而电容C2通过R、Lo、D06、S6、D07构成的回路为电感Lo和负载R供电；此时ab两端输出的电平为-UC，其中UC为C2两端的电压；
开关模式4：S3导通，其余关断；电源Ui、电感Li通过Ui、Li、C1、S3、D4、C2构成的回路为电容C1、C2充电，而电感Lo通过Lo、S3、D4、R构成的回路为负载R续流；此时ab两端输出的电平为零；
(II)模态为当Ui＜0时，开关管S1、S3处于半周期截止状态，四个开关模式为：
开关模式1：S6导通，其余关断；电源Ui通过Ui、D05、S6、D08、C1、Li构成的回路为电容C1充电，电容C1右端为正，同时为电感Li储能，而电容C2通过C2、D05、S6、D08、Lo、R构成的回路为电感Lo和负载R供电；此时ab两端输出的电平为UC，其中UC为C2两端的电压；
开关模式2：S2导通，其余关断；电源Ui通过Ui、S2、D1、Li构成的回路为电感Li储能，而电容C1、C2通过C1、Lo、R、C2、S2、D1构成的回路为电感Lo和负载R供电；此时ab两端输出的电平为2UC，其中2UC为C1、C2两端的电压；开关模式3：S5导通，其余关断；电源Ui、电感Li通过Ui、C2、D02、S5、D03、Li构成的回路为电容C2充电，电容C2左端为正，而电容C1通过C1、Lo、R、D02、S5、D03构成的回路为电感Lo和负载R供电；此时ab两端输出的电平为UC，其中UC为C1两端的电压；
开关模式4：S4导通，其余关断；电源Ui、电感Li通过Ui、C2、S4、D3、C1、Li构成的回路为电容C1、C2充电，而电感Lo通过Lo、R、S4、D3构成的回路为负载R续流；此时ab两端输出的电平为零；
所述一种单相X型互错式三电平交流调压电路，实现了输入与输出电压的反向调压变换，调节ab输出端的0、UC、2UC三个电平导通时间，可以自如实现输入与输出电压的升降压功能。
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