CN113890384A - 一种单相Cuk变频AC-AC变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明一种单相Cuk变频AC‑AC变换器，能实现升降压及变频AC‑AC变换；所述单相Cuk变频AC‑AC变换器由正半周调压单元，负半周调压单元以及输出极性单元组成；其中正半周调压单元与负半周调压单元完全对称，各包括一个单向开关，两个电感，一个无极性电容以及两个二极管；输出极性单元包括四个单向开关组成的H桥网络；通过控制两个高频调压开关(S1和S2)的控制信号占空比，能够调节交流输出电压的幅值，实现升压或降压输出；通过调节输出极性单元四个单向开关的控制信号时序，能够得到变频的交流输出电压；相对于传统AC‑AC变换器具有开关器件少、功率密度高、效率高等优点，适用于需要变压变频交流输出的应用场合。

Description

一种单相Cuk变频AC-AC变换器
技术领域
本发明涉及一种单相AC-AC变换器，尤其涉及一种单相Cuk变频AC-AC变换器。
背景技术
许多工业应用，如可调速驱动器等需要AC-AC电源转换系统来产生灵活的输出交流电压。为了实现交流能量变换，最简单的方式是通过直接型AC-AC变换器。直接型AC-AC变换器是由基础直流PWM开关变换器转换而来，通过将其直流拓扑中的单向开关管替换为双向开关管，从而使变换器能够在交流输入负半周时输出反相电压，实现AC-AC变换。直接AC-AC转换器采用单级能量变换结构，具有结构简单、体积小、电压调节能力强、成本低等优点，但是，直接型AC-AC变换器不能实现变频的输出，不适用于需要变频调节的应用场合。
为了满足工业应用中对交流电源的变频输出需求，可以采用间接型AC-AC变换器。间接AC-AC变换器实际上是从AC-DC到DC-AC的两级式结构，中间通过直流母线电容来连接。间接型AC-AC变换器可以实现任意频率以及任意形状的交流电压输出。然而，体积庞大的直流母线储能电容以及输入端滤波器导致了间接型AC-AC变换器的体积大、损耗高、成本高以及可靠性低。
因此，为了在实现变频变压调节的同时，进一步提高AC-AC变换器的功率密度，可采用单相矩阵式变频AC-AC变换器。单相矩阵式变频变换器不仅能实现输出电压调节和输出频率调节，而且采用输入到负载直连的单级式能量模式而不采用中间级的直流储能电容，从而能减小变换器的体积，提高功率密度。适用于对电压波形质量要求相对不高的场合，如射频感应加热器，动态电压恢复器以及中频牵引变流器和风机变换器等。
发明内容
本发明的目的在于提供一种单相Cuk变频AC-AC变换器，能实现升降压以及变频交流电压输出。
本发明采用如下技术方案：
一种单相Cuk变频AC-AC变换器，包括正半周调压单元、负半周调压单元和输出极性单元；所述正半周调压单元与负半周调压单元完全对称，各包括一个单向开关、两个电感、一个无极性电容以及两个二极管；所述输出极性单元包括四个单向开关组成的H桥网络；通过控制所述正半周调压单元的单向开关和所述负半周调压单元的单向开关的控制信号占空比，以调节交流输出电压的幅值，实现升压或降压输出；通过调节所述输出极性单元四个单向开关的控制信号时序，得到变频的交流输出电压。
优选的，所述正半周调压单元包括第一单向开关S1、第一功率电感L1、第三功率电感L3、第一储能电容C1、第二二极管D2和第三二极管D3；所述第一储能电容C1连接于第一功率电感L1与第三功率电感L3之间；所述第一单向开关S1的漏级连接于第一功率电感L1与第一储能电容C1的连接处；所述第一单向开关S1的源级与第二二极管D2的阳极相连；所述第三二极管D3的阳极连接于第一储能电容C1与第三功率电感L3的连接处；所述第三二极管D3的阴极连接于第二二极管D2的阳极。
优选的，所述负半周调压单元包括第二单向开关S2、第二功率电感L2、第四功率电感L4、第二储能电容C2、第一二极管D1和第四二极管D4；所述第二储能电容C2连接于第二功率电感L2与第四功率电感L4之间；所述第二单向开关S2的漏级连接于第二功率电感L2与第二储能电容C2的连接处；所述第二单向开关S2的源级与第一二极管D1的阳极相连；所述第四二极管D4的阳极连接于第二储能电容C2与第四功率电感L4的连接处；所述第四二极管D4的阴极连接于第一二极管D1的阳极。
优选的，所述输出极性单元由第三单向开关S3、第四单向开关S4、第五单向开关S5和第六单向开关S6组成；所述第三单向开关S3的漏级与第五单向开关S5的源级相连；所述第四单向开关S4的漏级与第六单向开关S6的源级相连；所述第三单向开关S3的源级与第四单向开关S4的源级相连；所述第五单向开关S5的漏级与第六单向开关S6的漏级相连。
优选的，包括四种工作状态，分别为：正半周同相输出状态、正半周反相输出状态、负半周同相输出状态和负半周反相输出状态；
令第一单向开关S1高频通断，第四单向开关S4和第五单向开关S5保持导通，第二单向开关S2、第三单向开关S3和第六单向开关S6保持关断，此时电路处于正半周同相输出状态；令第一单向开关S1高频通断，第三单向开关S3和第六单向开关S6保持导通，第二单向开关S2、第四单向开关S4和第五单向开关S5保持关断，此时电路处于正半周反相输出状态；令第二单向开关S2高频通断，第四单向开关S4和第五单向开关S5保持导通，第一单向开关S1、第三单向开关S3和第六单向开关S6保持关断，此时电路处于负半周反相输出状态；令第二单向开关S2高频通断，第三单向开关S3和第六单向开关S6保持导通，第一单向开关S1、第四单向开关S4和第五单向开关S5保持关断，此时电路处于负半周同相输出状态；所述四种工作状态中，记两个高频开关S1和S2的控制信号占空比为D，通过调整占空比D，就能够调节输出电压的幅值，实现升压或降压功能；
通过在一个输入电压线周期内合适的时刻改变电路的工作状态，就能够实现输出电压的基波频率的上升或下降。
优选的，正半周同相输出状态时，输出电压与输入电压的比值为：
Figure BDA0003304136520000031
负半周反相输出状态时，输出电压与输入电压的比值为：
Figure BDA0003304136520000032
正半周反相输出状态时，输出电压与输入电压的比值为：
Figure BDA0003304136520000033
负半周同相输出状态时，输出电压与输入电压的比值为：
Figure BDA0003304136520000034
优选的，所述单向开关均由一个全控型器件MOSFET构成。
优选的，所述的单相Cuk变频AC-AC变换器，还包括：交流电源Vin、输入电容、输出电容Co和负载RL；所述输入电容连接于输入电源Vin的两端；所述输入电容的两端分别连接于第一功率电感L1和第二二极管D2的两端；所述输出电容Co连接于负载RL两端；所述输出电容Co连接于第三单向开关S3的漏级与第四单向开关S4的漏级之间；所述第三功率电感L3的另一端连接于第三单向开关S3的源级；所述第四功率电感L4的另一端连接于第四单向开关S4的源级。
本发明提供的一种单相Cuk变频AC-AC变换器，通过改变高频开关控制信号的占空比，可调节输出电压幅值，实现升压或降压输出，通过适时改变电路的输出电压极性，可实现输出电压基波频率的变化。本发明相比传统的AC-AC变换器，具有具备变频特性，开关器件少、功率密度高、效率高等优点。
根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述及其他目的、优点和特征。
附图说明
图1为本发明的电路结构示意图；
图2为正半周调压单元结构示意图；
图3为负半周调压单元结构示意图；
图4为输出极性单元结构示意图；
图5为变频工作状态典型波形图，包括输入电压波形，各开关驱动信号波形以及输出电压波形；其中，(a)表示降频输出；(b)表示同频输出；(c)表示升频输出；
图6为本发明实施例的各运行模态电路；其中，(a)表示模态1；(b)表示模态2；(c)表示模态3；(d)表示模态4；(e)表示模态5；(f)表示模态6；(g)表示模态7；(h)表示模态8。
具体实施方式
下面结合附图与实例，对本发明作进一步阐述。
实施例一：
参见图1，本发明包括交流电源、输入电容、正半周调压单元、负半周调压单元、输出极性单元、输出电容和负载；所述正半周调压单元由第一单向开关S1、第一功率电感L1、第三功率电感L3、第一储能电容C1、第二二极管D2和第三二极管D3组成；所述负半周调压单元由第二单向开关S2、第二功率电感L2、第四功率电感L4、第二储能电容C2、第一二极管D1和第四二极管D4组成；所述输出极性单元由第三单向开关S3、第四单向开关S4、第五单向开关S5和第六单向开关S6组成。
具体的，参见图2至图4所示，所述第一储能电容C1连接于第一功率电感L1与第三功率电感L3之间；所述第一单向开关S1的漏级连接于第一功率电感L1与第一储能电容C1的连接处；所述第一单向开关S1的源级与第二二极管D2的阳极相连；所述第三二极管D3的阳极连接于第一储能电容C1与第三功率电感L3的连接处；所述第三二极管D3的阴极连接于第二二极管D2的阳极；所述第二储能电容C2连接于第二功率电感L2与第四功率电感L4之间；所述第二单向开关S2的漏级连接于第二功率电感L2与第二储能电容C2的连接处；所述第二单向开关S2的源级与第一二极管D1的阳极相连；所述第四二极管D4的阳极连接于第二储能电容C2与第四功率电感L4的连接处；所述第四二极管D4的阴极连接于第一二极管D1的阳极；所述第三单向开关S3的漏级与第五单向开关S5的源级相连；所述第四单向开关S4的漏级与第六单向开关S6的源级相连；所述第三单向开关S3的源级与第四单向开关S4的源级相连；所述第五单向开关S5的漏级与第六单向开关S6的漏级相连。
所述输入电容连接于输入电源的两端；所述输入电容的两端分别连接于第一功率电感L1和第二二极管D2的两端；所述输出电容Co连接于负载RL两端；所述输出电容Co连接于第三单向开关S3的漏级与第四单向开关S4的漏级之间；所述第三功率电感L3的另一端连接于第三单向开关S3的源级；所述第四功率电感L4的另一端连接于第四单向开关S4的源级。
进一步的，本实施例为变换器处于2倍降频输出状态，其波形如图5(a)所示，共有四种运行状态，8个运行模态，如图6(a)～(h)所示，运行状态分析如下：
第一种运行状态：正半周同相。模态1：输入交流电压源为正半周，在DTsw时间范围内，开关S1、S4、S5开通，开关S2、S3、S6关断。电源给电感L1充电，电容C1和电感L3向负载放电；模态2：输入交流电压源为正半周，在(1-D)Tsw时间范围内，开关S4、S5开通，开关S1、S2、S3、S6关断。电源及电感L1给电容C1充电，负载向电感L3放电。输出电压与输入电压的比值为：
Figure BDA0003304136520000051
第二种运行状态：负半周反相。模态3：输入交流电压源为负半周，在DTsw时间范围内，开关S2、S4、S5开通，开关S1、S3、S6关断。电源给电感L2充电，电容C2和电感L4向负载放电；模态4：输入交流电压源为负半周，在(1-D)Tsw时间范围内，开关S4、S5开通，开关S1、S2、S3、S6关断。电源及电感L2给电容C2充电，负载向电感L4放电。输出电压与输入电压的比值为：
Figure BDA0003304136520000052
第三种运行状态：正半周反相。模态5：输入交流电压源为正半周，在DTsw时间范围内，开关S1、S3、S6开通，开关S2、S4、S5关断。电源给电感L1充电，电容C1和电感L3向负载放电；模态6：输入交流电压源为正半周，在(1-D)Tsw时间范围内，开关S3、S6开通，开关S1、S2、S4、S5关断。电源及电感L1给电容C1充电，负载向电感L3放电。输出电压与输入电压的比值为：
Figure BDA0003304136520000053
第四种运行状态：负半周同相。模态7：输入交流电压源为负半周，在DTsw时间范围内，开关S2、S3、S6开通，开关S1、S4、S5关断。电源给电感L2充电，电容C2和电感L4向负载放电；模态8：输入交流电压源为负半周，在(1-D)Tsw时间范围内，开关S3、S6开通，开关S1、S2、S4、S5关断。电源及电感L2给电容C2充电，负载向电感L4放电。输出电压与输入电压的比值为：
Figure BDA0003304136520000054
通过调整各个电路状态下高频开关的驱动信号占空比D，即可得到升压或降压输出。
实施例二：
参见图5(b)所示，本实施例为变换器处于同频输出状态，输出与输入保持同相，各个电路状态的运行过程与实施例一所述类似。
实施例三：
参见图5(c)所示，本实施例为变换器处于2倍升频输出状态，通过在1/4输入线周期时刻将电路运行状态由正半周同相输出改变为正半周反相输出，在3/4线周期时刻将电路运行状态由负半周反相输出改变为负半周同相输出，各个电路状态的运行过程与实施例一所述类似。
综上所述，本发明所述的一种单相Cuk变频AC-AC变换器，能实现升降压以及变频交流电压输出，控制策略简单易行，比起传统的AC-AC变换器，具有开关器件少、功率密度高、效率高等优点。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种单相Cuk变频AC-AC变换器，其特征在于，包括相连接的正半周调压单元、负半周调压单元和输出极性单元；所述正半周调压单元与负半周调压单元完全对称，各包括一个单向开关、两个电感、一个无极性电容以及两个二极管；所述输出极性单元包括四个单向开关组成的H桥网络；通过控制所述正半周调压单元的单向开关和所述负半周调压单元的单向开关的控制信号占空比，以调节交流输出电压的幅值，实现升压或降压输出；通过调节所述输出极性单元四个单向开关的控制信号时序，得到变频的交流输出电压。
2.根据权利要求1所述的单相Cuk变频AC-AC变换器，其特征在于，所述正半周调压单元包括第一单向开关S1、第一功率电感L1、第三功率电感L3、第一储能电容C1、第二二极管D2和第三二极管D3；所述第一储能电容C1连接于第一功率电感L1与第三功率电感L3之间；所述第一单向开关S1的漏级连接于第一功率电感L1与第一储能电容C1的连接处；所述第一单向开关S1的源级与第二二极管D2的阳极相连；所述第三二极管D3的阳极连接于第一储能电容C1与第三功率电感L3的连接处；所述第三二极管D3的阴极连接于第二二极管D2的阳极。
3.根据权利要求2所述的单相Cuk变频AC-AC变换器，其特征在于，所述负半周调压单元包括第二单向开关S2、第二功率电感L2、第四功率电感L4、第二储能电容C2、第一二极管D1和第四二极管D4；所述第二储能电容C2连接于第二功率电感L2与第四功率电感L4之间；所述第二单向开关S2的漏级连接于第二功率电感L2与第二储能电容C2的连接处；所述第二单向开关S2的源级与第一二极管D1的阳极相连；所述第四二极管D4的阳极连接于第二储能电容C2与第四功率电感L4的连接处；所述第四二极管D4的阴极连接于第一二极管D1的阳极。
4.根据权利要求3所述的单相Cuk变频AC-AC变换器，其特征在于，所述输出极性单元由第三单向开关S3、第四单向开关S4、第五单向开关S5和第六单向开关S6组成；所述第三单向开关S3的漏级与第五单向开关S5的源级相连；所述第四单向开关S4的漏级与第六单向开关S6的源级相连；所述第三单向开关S3的源级与第四单向开关S4的源级相连；所述第五单向开关S5的漏级与第六单向开关S6的漏级相连。
5.根据权利要求4所述的单相Cuk变频AC-AC变换器，其特征在于，包括四种工作状态，分别为：正半周同相输出状态、正半周反相输出状态、负半周同相输出状态和负半周反相输出状态；
令第一单向开关S1高频通断，第四单向开关S4和第五单向开关S5保持导通，第二单向开关S2、第三单向开关S3和第六单向开关S6保持关断，此时电路处于正半周同相输出状态；令第一单向开关S1高频通断，第三单向开关S3和第六单向开关S6保持导通，第二单向开关S2、第四单向开关S4和第五单向开关S5保持关断，此时电路处于正半周反相输出状态；令第二单向开关S2高频通断，第四单向开关S4和第五单向开关S5保持导通，第一单向开关S1、第三单向开关S3和第六单向开关S6保持关断，此时电路处于负半周反相输出状态；令第二单向开关S2高频通断，第三单向开关S3和第六单向开关S6保持导通，第一单向开关S1、第四单向开关S4和第五单向开关S5保持关断，此时电路处于负半周同相输出状态；所述四种工作状态中，记两个高频开关S1和S2的控制信号占空比为D，通过调整占空比D，就能够调节输出电压的幅值，实现升压或降压功能；
通过在一个输入电压线周期内合适的时刻改变电路的工作状态，就能够实现输出电压的基波频率的上升或下降。
6.根据权利要求5所述的单相Cuk变频AC-AC变换器，其特征在于，正半周同相输出状态时，输出电压与输入电压的比值为：
Figure FDA0003304136510000021
负半周反相输出状态时，输出电压与输入电压的比值为：
Figure FDA0003304136510000022
正半周反相输出状态时，输出电压与输入电压的比值为：
Figure FDA0003304136510000023
负半周同相输出状态时，输出电压与输入电压的比值为：
Figure FDA0003304136510000024
7.根据权利要求1所述的单相Cuk变频AC-AC变换器，其特征在于，所述单向开关均由一个全控型器件MOSFET构成。
8.根据权利要求1所述的单相Cuk变频AC-AC变换器，其特征在于，还包括：交流电源Vin、输入电容、输出电容Co和负载RL；所述输入电容连接于输入电源Vin的两端；所述输入电容的两端分别连接于第一功率电感L1和第二二极管D2的两端；所述输出电容Co连接于负载RL两端；所述输出电容Co连接于第三单向开关S3的漏级与第四单向开关S4的漏级之间；所述第三功率电感L3的另一端连接于第三单向开关S3的源级；所述第四功率电感L4的另一端连接于第四单向开关S4的源级。
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CN202111198832.5A Pending CN113890384A (zh) 2021-10-14 2021-10-14 一种单相Cuk变频AC-AC变换器

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