CN110798074A - 一种级联型单相交流转直流隔离变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种级联型单相交流转直流隔离变换器。级联型单相交流转直流隔离变换器由多个交流转直流隔离变换器模块输入侧串联、输出侧并联组成。模块的输入侧全桥结构为单级式AC/DC变换提供基础。输入侧、输出侧全桥的调制策略与合理的控制方法实现直流稳定输出和功率因数调节功能。这种变换器及控制方法克服两级式交直流变换器第一级直流端输出电容较大的不足，减小设备体积和重量。

Description

一种级联型单相交流转直流隔离变换器
技术领域
本发明涉及电力技术领域，具体是一种级联型单相交流转直流隔离变换器。
背景技术
用于火车、地铁、车辆等领域的牵引变换器，需要具有将中压交流变换为低压直流的功能。常规牵引变换器设备采用低频变压器实现。低频变压器体型巨大、重量沉。当具有低频变压器的变换器设备具有高电流密度时，低频变压器效率将降低。为了克服这个问题，研究采用高频环节的交流-直流变换器成为一个趋势，并致力于减小这些变换器的重量和体积。
现有的应用于中压电网的具有高频环节的交流-直流变换器采用AC/DC/DC两级式变换。但第一级交直变换环节的直流输出端一个大容量电容提供电压支撑，占用体积较大。研究无大容量直流电容的变换器有利于降低体积、减小重量、节省成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种级联型单相交流转直流隔离变换器，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种级联型单相交流转直流隔离变换器，包括多个交流-直流隔离变换器模块，多个交流-直流隔离变换器模块级联起来，并与输入电感串联，交流-直流隔离变换器模块包括用于滤除由开关管动作引起的高频电压分量的输入电容、输入侧全桥电路、串联谐振电路和输出侧全桥电路，输入电容并连接在输入侧全桥电路的两个输入端之间，输入侧全桥电路和串联谐振电路串联连接，串联谐振电路的输出端连接输出侧全桥电路，串联谐振电路具有两个同参数的谐振电容和一个高频变压器，两个谐振电容分别和高频变压器的初级绕组、次级绕组的漏感形成串联谐振，输出侧全桥电路由四个开关管构成，其中每个双向开关由两个开关管共发射极串联组成。
作为本发明的进一步方案：每个交流-直流隔离变换器模块的输入侧全桥单个双向开关管控制方式是，一个开关管导通，另一个开关管进行PWM调制，四个双向开关管以开关频率按方波调制方式导通，由此将交流电网电压转换为高频电压，输入侧全桥交流端口处形成占空比为50％的高频方波电压，一个开关周期内，该高频方波电压幅值与当前时刻输入交流电压的幅值相同，从开关频率维度分析，一个开关周期内的高频方波电压可以分解出基波分量，从输入交流电压频率维度观察，每个交流-直流隔离变换器模块输入侧全桥交流端口处的高频方波电压包络线为正弦形状，且该包络线正弦形状与该模块输入交流电压相同。
作为本发明的进一步方案：每个交流-直流隔离变换器模块的串联谐振电路包含两个谐振电容和一个高频变压器，高频变压器实现电压等级变换和电气隔离的功能，高频变压器的初级和次级绕组均包含漏感，两个漏感分别与两个谐振电容形成串联谐振，当开关管开关频率与谐振频率相同时，电路处于谐振状态，使电路具有零电压开关、控制简单等特性，此外，谐振电容具有隔直作用，防止变压器偏磁。
作为本发明的进一步方案：每个交流-直流隔离变换器模块的输出侧全桥采用移相控制方式，各开关的驱动信号均由载波与占空比调制波比较形成，开关管以开关频率工作，载波频率是开关频率的两倍，同一桥臂的上下两个开关管开关信号互补，超前桥臂与滞后桥臂之间存在一个移相比例，使输出侧全桥得交流端口处形成具有一定占空比的双极性高频电压，该占空比按输入交流电压的二倍频率进行周期性变化，双极性高频电压在每一个开关周期内具有相同的幅值，该幅值等于输出电压幅值，从开关频率维度分析，一个开关周期内的双极性高频电压可以分解出基波分量，该基波分量相位与输入侧全桥的高频方波电压基波分量相位相同，从输入交流电压频率维度观察，输出侧全桥的高频电压基波分量幅值形成的包络线呈现正弦波形状，电路通过调节每一个开关周期内输出侧全桥双极性高频电压的占空比，改变输出侧全桥高频电压基波幅值，从而改变输出直流电压的幅值及输入侧功率因数。
作为本发明的进一步方案：设计输出侧全桥占空比调制波形，占空比调制波形与载波比较产生输出侧全桥开关管驱动信号，从而使变换器输出期望的直流电压和交流侧功率因数，输出侧全桥占空比调制波形表达式：
Figure BDA0002268714670000031
式中，式中，D为输出侧全桥双极性高频电压占空比，U1为第一个模块输入交流电压幅值，Udc为输出直流电压幅值，ω为输入交流电压角频率，t为时间，γ为占空比相位补偿角度，当输入电压不变时，调节U1/Udc即可改变输出电压幅值，调节γ即可改变输入侧功率因数，当各交流-直流隔离变换器模块参数相近时，各模块具有自动均压特性，即各模块输入电压相同，因此各模块采用相同的调制方案及占空比调制波。
作为本发明的进一步方案：n个交流-直流隔离变换器模块的输入端串联，形成新的输入端口，与中压交流电连接；n个交流-直流隔离变换器模块输出端并联，形成一个新的直流输出端口。
作为本发明的进一步方案：变换器采用闭环控制方式，分为直流电压控制器与功率因数角控制器，两个控制器均采用比例-积分(PI)控制方式，具体工作方式为：采集输出直流电压，与参考直流电压作差后经过直流电压PI控制器，获得电压调节比Ua1/Udc；采集交流侧功率因数角，与参考功率因数角作差，经过功率因数PI控制器，获得占空比相位补偿角度γ，将获得的两个输出量输入进占空比调制波表达式，获得相应的占空比调制波D，与载波比较得到输出侧全桥开关管驱动信号。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：(1)本发明采用由两个开关管共发射极串联的双向开关形成输入侧全桥，为交流电流提供流通路径。这种结构实现了交流-直流单级变换，减少了直流输出电容数量，减小设备体积，降低变换器成本。
(2)本发明的各交流-直流隔离变换器模块包含串联谐振网络，实现输入侧全桥开关管零电压开通和关断。谐振电容消除了初级和次级的直流成分，防止变压器产生直流偏磁。
(3)当本发明的各交流-直流隔离变换器模块参数相近时，各模块具有自动均压特性，无需添加额外的输入电压均衡控制。
附图说明
图1为本发明级联型单相交流-直流隔离变换器拓扑结构。
图2为本发明中交流-直流隔离变换器模块电路结构
图3为本发明中交流-直流隔离变换器模块各开关管控制波形。
图4为直流电压与功率因数闭环调节控制框图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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做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。
请参阅图1-4，图1为本发明级联型单相交流-直流隔离变换器拓扑结构。如图1所示，级联型单相交流-直流隔离变换器由n个交流-直流隔离变换器模块输入侧串联，输出侧并联构成。电路包含一个输入电感，对电路中的高频电流分量进行抑制。
图2为交流-直流隔离变换器模块结构，包含输入电容，滤除由开关管动作引起的高频电压分量，本实施例中开关管采用带反向二极管的IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor，绝缘栅双极型晶体管)；输入侧全桥电路，由四个双向开关组成，其中每个双向开关由两个开关管共发射极串联组成，用以提供交流电流流通路径；串联谐振电路，具有两个同参数的谐振电容和一个高频变压器，两个谐振电容分别和高频变压器的初级绕组、次级绕组的漏感形成串联谐振；输出侧全桥电路，由四个开关管构成，用于将高频交流电压变换为直流电压；输出滤波电容，将输出侧全桥开关管动作带来的高频分量滤除，并提供电压支撑，稳定输出电压。
本发明的级联型单相交流-直流隔离变换器的控制方法，具体步骤如下：
1：以第一个交流-直流隔离变换器模块为例，制定输入侧全桥和输出侧全桥的开关管导通规则。图3中所示为交流-直流隔离变换器模块各开关管控制波形。输入侧全桥采用方波控制方式。正电压部分，S1a-S4b包含两种开关方式，第一种方式中，开关S1a-S4a用固定的50％占空比进行操作，S1a和S4a有相同的驱动信号，S2a、S3a的驱动信号与S1a、S4b驱动信号互补；第二种方式，开关S1b-S4b持续导通。当S1a和S4a导通时，输入侧全桥交流端口输出电压为正。当S2a和S3a导通时，输入侧全桥交流端口输出电压为负。负电压部分时两种开关方式互换。
在这种方波控制方式下，输入侧全桥的交流端口形成幅值随输入电压变化的双极性高频方波电压，占空比为50％。
输出侧全桥采用移相控制方式，其开关频率与输入侧全桥相同。各开关的驱动信号均由载波与占空比调制波比较形成，在这里载波频率是开关频率的两倍。同一桥臂的上下两个开关管开关信号互补，超前桥臂与滞后桥臂之间存在一个移相比例，使输出侧全桥的交流端口形成具有一定占空比的双极性高频电压。电路工作于稳态时，在开关频率范围内，双极性高频电压可分解出基波分量，当忽略谐振网络电路中的线路电阻时，该基波分量与输入侧全桥交流端口方波电压基波分量相位相同、幅值近似相同。因此，输出电压表示为：
Figure BDA0002268714670000051
式中，U1为第一个模块输入交流电压幅值，ω为输入交流电压角频率，t为时间，a为输出侧全桥前后桥臂驱动信号移相角，0≤a<π/2。当输入电压不变时，调节a即可改变输出电压。若|sin(ωt)|＝cosα，输出直流电压等于输入交流电压的幅值，即Udc＝Ua1。
2：建立占空比调制波表达式：
Figure BDA0002268714670000052
式中，D为输出侧全桥双极性高频电压占空比，U1为第一个模块输入交流电压幅值，Udc为输出直流电压幅值，ω为输入交流电压角频率，t为时间，γ为占空比相位补偿角度。当输入电压不变时，调节U1/Udc即可改变输出电压幅值，调节γ即可改变输入侧功率因数。
3：根据占空比调制波表达式，制定闭环控制策略，实现对直流电压和功率因数的调节，如图4所示。将参考电压与测量的输出直流电压作差，引入电压比例-积分(PI)控制器获得电压调节比Ua1/Udc；将参考功率因数角与实际功率因数角相减，引入功率因数PI控制器，获得占空比相位补偿角度γ。将获得的两个输出量引入占空比调制波表达式，获得相应的占空比调制波D，从而与载波比较得到输出侧全桥开关管驱动信号。通过每个模块内两个全桥开关管的配合，最终输出期望的直流电压并使交流输入端口功率因数满足要求。
实施例2：在实施例1的基础上，各模块采用相同的调制方案及占空比调制波，这样当各交流-直流隔离变换器模块参数相近时，各模块具有自动均压特性，即各模块输入电压相同。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (7)

1.一种级联型单相交流转直流隔离变换器，包括多个交流-直流隔离变换器模块，其特征在于，多个交流-直流隔离变换器模块级联起来，并与输入电感串联，交流-直流隔离变换器模块包括用于滤除由开关管动作引起的高频电压分量的输入电容、输入侧全桥电路、串联谐振电路和输出侧全桥电路，输入电容并连接在输入侧全桥电路的两个输入端之间，输入侧全桥电路和串联谐振电路串联连接，串联谐振电路的输出端连接输出侧全桥电路，串联谐振电路具有两个同参数的谐振电容和一个高频变压器，两个谐振电容分别和高频变压器的初级绕组、次级绕组的漏感形成串联谐振，输出侧全桥电路由四个开关管构成，其中每个双向开关由两个开关管共发射极串联组成。
2.根据权利要求1所述的一种级联型单相交流转直流隔离变换器，其特征在于，每个交流-直流隔离变换器模块的输入侧全桥单个双向开关管控制方式是，一个开关管导通，另一个开关管进行PWM调制，四个双向开关管以开关频率按方波调制方式导通，由此将交流电网电压转换为高频电压，输入侧全桥交流端口处形成占空比为50％的高频方波电压，一个开关周期内，该高频方波电压幅值与当前时刻输入交流电压的幅值相同，从开关频率维度分析，一个开关周期内的高频方波电压可以分解出基波分量，从输入交流电压频率维度观察，每个交流-直流隔离变换器模块输入侧全桥交流端口处的高频方波电压包络线为正弦形状，且该包络线正弦形状与该模块输入交流电压相同。
3.根据权利要求2所述的一种级联型单相交流转直流隔离变换器，其特征在于，每个交流-直流隔离变换器模块的串联谐振电路包含两个谐振电容和一个高频变压器，高频变压器实现电压等级变换和电气隔离的功能，高频变压器的初级和次级绕组均包含漏感，两个漏感分别与两个谐振电容形成串联谐振，当开关管开关频率与谐振频率相同时，电路处于谐振状态，使电路具有零电压开关、控制简单等特性，此外，谐振电容具有隔直作用，防止变压器偏磁。
4.根据权利要求1所述的一种级联型单相交流转直流隔离变换器，其特征在于，每个交流-直流隔离变换器模块的输出侧全桥采用移相控制方式，各开关的驱动信号均由载波与占空比调制波比较形成，开关管以开关频率工作，载波频率是开关频率的两倍，同一桥臂的上下两个开关管开关信号互补，超前桥臂与滞后桥臂之间存在一个移相比例，使输出侧全桥得交流端口处形成具有一定占空比的双极性高频电压，该占空比按输入交流电压的二倍频率进行周期性变化，双极性高频电压在每一个开关周期内具有相同的幅值，该幅值等于输出电压幅值，从开关频率维度分析，一个开关周期内的双极性高频电压可以分解出基波分量，该基波分量相位与输入侧全桥的高频方波电压基波分量相位相同，从输入交流电压频率维度观察，输出侧全桥的高频电压基波分量幅值形成的包络线呈现正弦波形状，电路通过调节每一个开关周期内输出侧全桥双极性高频电压的占空比，改变输出侧全桥高频电压基波幅值，从而改变输出直流电压的幅值及输入侧功率因数。
5.根据权利要求1所述的一种级联型单相交流转直流隔离变换器，其特征在于，设计输出侧全桥占空比调制波形，占空比调制波形与载波比较产生输出侧全桥开关管驱动信号，从而使变换器输出期望的直流电压和交流侧功率因数，输出侧全桥占空比调制波形表达式：
Figure FDA0002268714660000021
式中，式中，D为输出侧全桥双极性高频电压占空比，U1为第一个模块输入交流电压幅值，Udc为输出直流电压幅值，ω为输入交流电压角频率，t为时间，γ为占空比相位补偿角度，当输入电压不变时，调节U1/Udc即可改变输出电压幅值，调节γ即可改变输入侧功率因数，当各交流-直流隔离变换器模块参数相近时，各模块具有自动均压特性，即各模块输入电压相同，因此各模块采用相同的调制方案及占空比调制波。
6.根据权利要求1所述的一种级联型单相交流转直流隔离变换器，其特征在于，n个交流-直流隔离变换器模块的输入端串联，形成新的输入端口，与中压交流电连接；n个交流-直流隔离变换器模块输出端并联，形成一个新的直流输出端口。
7.根据权利要求1所述的一种级联型单相交流转直流隔离变换器，其特征在于，变换器采用闭环控制方式，分为直流电压控制器与功率因数角控制器，两个控制器均采用比例-积分(PI)控制方式，具体工作方式为：采集输出直流电压，与参考直流电压作差后经过直流电压PI控制器，获得电压调节比Ua1/Udc；采集交流侧功率因数角，与参考功率因数角作差，经过功率因数PI控制器，获得占空比相位补偿角度γ，将获得的两个输出量输入进占空比调制波表达式，获得相应的占空比调制波D，与载波比较得到输出侧全桥开关管驱动信号。
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