CN112234843A - 一种基于开关电容的级联型高增益降压电力电子变压器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于开关电容的级联型高增益电力电子变压器，包括N个级联的开关电容型AC‑AC变换器，AC‑AC变换器基本单元包含双向半导体开关和开关电容，双向半导体开关有两个反向串联的MOS管或者IGBT开关管构成。AC‑AC变换器基本单元通过直接PWM斩波控制方式，实现输出电压等于输入电压的一半。本发明通过多个AC‑AC变换器基本单元级联的方式实现高增益降压电力电子变压器。具有如下优点：通过模块化AC‑AC变换器单元的级联可以实现高降压比；整个主电路中没有使用磁性元件，提高系统效率，可大大降低电力电子变压器的体积和重量；采用高频等占空比直接PWM控制方式，易于实现。

Description

一种基于开关电容的级联型高增益降压电力电子变压器
技术领域
本发明涉及电力电子变压器，具体涉及一种基于开关电容的级联型高增益降压电力电子变压器。
背景技术
目前，传统变压器大多采用硅钢片和线圈构成，通过电磁感应的方式实现交流电压的升、降压变换，一方面传统工频变压器存在体积大、重量重的缺点，另一方面工频变压器在投入启动过程中会产生较大的励磁涌流电流，同时含有加大的直流分量电流过渡过程较长，变压器轻载时输入电流波形畸变较大等缺点。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种可以实现直接AC-AC变换的基于开关电容的级联型高增益降压电力电子变压器，可通过开关电容型AC-AC变换器基本单元的级联实现高增益降压变压器。
本发明采用的技术方案是：一种基于开关电容的级联型高增益降压电力电子变压器，包括N个级联的开关电容型AC-AC变换器，所述开关电容型AC-AC变换器包括双向开关和开关电容；所述双向开关包括第一双向开关、第二双向开关、第三双向开关和第四双向开关；所述开关电容包括第一开关电容、第二开关电容和第三开关电容；
所述第一双向开关的一端与外界电源的一端连接，同时连接到开关电容的一端；第一双向开关的另一端与第二双向开关的一端连接，同时连接到开关电容的一端连接；
所述第二双向开关的另一端与第三双向开关的一端相连，同时连接到开关电容的另一端，同时与开关电容的一端连接；
所述第三双向开关的另一端与第四开关的一端相连接，同时与开关电容的另一端相连接；
所述第四双向开关的另一端与开关电容的另一端连接，同时与外界电源的另一端连接。
进一步地，所述开关电容型AC-AC变换器中的第一个开关电容型AC-AC变换器的一个输入端与外界电源的一端连接，第一个开关电容型AC-AC变换器的另一个输入端与外界电源的另一端连接；第一个开关电容型AC-AC变换器的一个输出端与第二个开关电容型AC-AC变换器的一个输入端连接，同时第一个开关电容型AC-AC变换器的另一个输出端与第二个开关电容型AC-AC变换器的另一个输入端连接；
第N-1个开关电容型AC-AC变换器的一个输出端与第N个开关电容型AC-AC变换器的一个输入端连接，同时第N-1个开关电容型AC-AC变换器的另一个输出端与第N个开关电容型AC-AC变换器的另一个输入端连接；第N个开关电容型AC-AC变换器的一个输出端与负载的一端连接，第N个开关电容型AC-AC变换器的另一个输出端与负载的另一端连接。
本发明的优点：
本发明是可实现高增益降压变换的级联型电力电子变压器，（1）采用开关电容型AC-AC变换器作为基本单元，可通过级联的方式实现高压输入到低压输出的变换，变换器无磁性元件整机大小、体积重量和成本可大为降低；（2）整个电路可采用模块化设计方案，具有结构简单，便于生产和维护；（3）控制方案采用高频等占空比直接PWM方式，易于实现。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明的基于开关电容的级联型高增益降压电力电子变压器结构示意图（标号名称：1~N为开关电容型AC-AC变换器基本单元）；
图2是本发明的开关电容型AC-AC变换器基本单元电路图；
图3是本发明的双向开关电路图；
图4是本发明的高频PWM控制信号图；
图5是本发明的单模块等效电路图（（a）为S1S3 开通 S2S4 关断，（b）为S2S4 开通 S1S3关断，（c）为S1~S4 都关断）；
图6是本发明的N个模块降压式工作过程图（（a）为S1S3 开通 S2S4 关断，（b）为S2S4 开通 S1S3 关断，（c）为S1~S4 都关断）；
图7是本发明的仿真波形图；
图8是本发明的放大的驱动信号波形图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参考图1至图6，一种基于开关电容的级联型高增益降压电力电子变压器，包括N个级联的开关电容型AC-AC变换器，开关电容型AC-AC变换器包括双向开关和开关电容；双向开关包括第一双向开关S 1、第二双向开关S 2、第三双向开关S 3和第四双向开关S 4；开关电容包括第一开关电容C 1、第二开关电容C 2和第三开关电容C 3；
第一双向开关S 1的一端与外界电源U in的一端连接，同时连接到开关电容C 1的一端；第一双向开关S 1的另一端与第二双向开关S 2的一端连接，同时连接到开关电容C 3的一端连接；
第二双向开关S 2的另一端与第三双向开关S 3的一端相连，同时连接到开关电容C 1的另一端，同时与开关电容C 2的一端连接；
第三双向开关S 3的另一端与第四开关S 4的一端相连接，同时与开关电容C 3的另一端相连接；
第四双向开关S 4的另一端与开关电容C 2的另一端连接，同时与外界电源U in的另一端连接。
本发明是可实现高增益降压变换的级联型电力电子变压器，（1）采用开关电容型AC-AC变换器作为基本单元，可通过级联的方式实现高压输入到低压输出的变换，变换器无磁性元件整机大小、体积重量和成本可大为降低；（2）整个电路可采用模块化设计方案，具有结构简单，便于生产和维护；（3）控制方案采用高频等占空比直接PWM方式，易于实现。
采用直接PWM控制方式，具有体积小重量轻的优点，同时变换效率高，在无需电气隔离的变压场合具有广泛的应用前景。
本实施例中，开关电容型AC-AC变换器中的第一个开关电容型AC-AC变换器的一个输入端与外界电源U in的一端连接，第一个开关电容型AC-AC变换器的另一个输入端与外界电源U in的另一端连接；第一个开关电容型AC-AC变换器的一个输出端与第二个开关电容型AC-AC变换器的一个输入端连接，同时第一个开关电容型AC-AC变换器的另一个输出端与第二个开关电容型AC-AC变换器的另一个输入端连接；
第N-1个开关电容型AC-AC变换器的一个输出端与第N个开关电容型AC-AC变换器的一个输入端连接，同时第N-1个开关电容型AC-AC变换器的另一个输出端与第N个开关电容型AC-AC变换器的另一个输入端连接；第N个开关电容型AC-AC变换器的一个输出端与负载R o的一端连接，第N个开关电容型AC-AC变换器的另一个输出端与负载R o的另一端连接。
本发明的工作原理：第一双向开关S 1和第三双向开关S 3同时开通同时关断，第二双向开关S 2和第四双向开关S 4同时开通同时关断，其中，第一双向开关S 1、第三双向开关S 3和第二双向开关S 2、第四双向开关S 4控制信号互补，并插入死区时间，其中，控制信号如图4所示。
图7是本发明的仿真波形图，Vin为输入电压，Vo为输出电压，S13信号为驱动信号，S24信号为驱动信号。
图8是本发明的放大的驱动信号波形图，S13信号为驱动信号，S24信号为驱动信号。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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。

Claims (2)

1.一种基于开关电容的级联型高增益降压电力电子变压器，其特征在
于，包括N个级联的开关电容型AC-AC变换器，所述开关电容型AC-AC变换器包括双向开关和开关电容；所述双向开关包括第一双向开关（S 1）、第二双向开关（S 2）、第三双向开关（S 3）和第四双向开关（S 4）；所述开关电容包括第一开关电容（C 1）、第二开关电容（C 2）和第三开关电容（C 3）；
所述第一双向开关（S 1）的一端与外界电源（U in）的一端连接，同时连接到开关电容（C 1）的一端；第一双向开关（S 1）的另一端与第二双向开关（S 2）的一端连接，同时连接到开关电容（C 3）的一端连接；
所述第二双向开关（S 2）的另一端与第三双向开关（S 3）的一端相连，同时连接到开关电容（C 1）的另一端，同时与开关电容（C 2）的一端连接；
所述第三双向开关（S 3）的另一端与第四开关（S 4）的一端相连接，同时与开关电容（C 3）的另一端相连接；
所述第四双向开关（S 4）的另一端与开关电容（C 2）的另一端连接，同时与外界电源（U in）的另一端连接。
2.根据权利要求1所述的基于开关电容的级联型高增益降压电力电子
变压器，其特征在于，所述开关电容型AC-AC变换器中的第一个开关电容型AC-AC变换器的一个输入端与外界电源（U in）的一端连接，第一个开关电容型AC-AC变换器的另一个输入端与外界电源（U in）的另一端连接；第一个开关电容型AC-AC变换器的一个输出端与第二个开关电容型AC-AC变换器的一个输入端连接，同时第一个开关电容型AC-AC变换器的另一个输出端与第二个开关电容型AC-AC变换器的另一个输入端连接；
第N-1个开关电容型AC-AC变换器的一个输出端与第N个开关电容型AC-AC变换器的一个输入端连接，同时第N-1个开关电容型AC-AC变换器的另一个输出端与第N个开关电容型AC-AC变换器的另一个输入端连接；第N个开关电容型AC-AC变换器的一个输出端与负载（R o）的一端连接，第N个开关电容型AC-AC变换器的另一个输出端与负载（R o）的另一端连接。
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