CN1348248A - 高频交流环节交/交变换器 - Google Patents

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Abstract

一种高频交流环节交/交变换器属电力电子变换技术,其电路组成由输入周波变换器,高频变压器或高频储能式变压器,输出周波变换器及输入、输出滤波电路所组成,能够将一种频率的交流电变换成另一种同频率(或不同频率)的电流电,具有电路拓扑简洁,两级功率变换,双向功率流,网侧电流波形和功率因数可得到改善,体积小、重量轻、变换效率高、交流负载与交流电网高频电气隔离、无音频音、成本低等优点,为新型电子变压器、正弦交流稳压器和变频电源奠定了关键技术。

Description

高频交流环节交/交变换器
技术领域
本发明所涉及的高频交流环节交/交(AC/AC)变换器属电力电子变换技术。
背景技术
输出负载与输入电网之间有高频电气隔离功能的电力电子变换器，通常称为高频电气隔离型电力电子变换器或高频环节电力电子变换器。电力电子研究人员对高频环节DC/DC变换器、高频环节AC/DC变换器、高频环节DC/AC逆变器的研究，已取得了显著的成果，导致电力电子变换器发生了巨大的变化：1)电气隔离式DC/DC变换器变得轻巧；2)AC/DC整流电源已由传统的工频变压相控整流电路结构，发展成了高频环节开关型整流电路结构；3)DC/AC逆变电源已由传统的低频环节逆变电路结构，发展成了高频环节逆变电路结构。然而，人们对AC/AC变换器的研究仅仅局限于无电气隔离的AC/AC变换器、低频环节AC/AC变换器和交-直-交型高频环节AC/DC/AC变换器。
传统的可控硅相控变频器实现了AC/AC功率变换，输出电压频率一般不超过输入电压频率的三分之一，而且输入电压相数越多，输出波形也越好。矩阵变换器是一种采用高频PWM技术将任意频率和电压的多相电源直接变换成另一种电源的AC/AC变换器，具有输入电流波形好、功率因数高、双向功率流、无中间储能环节、输出电压频率可高于或低于输入电压频率、控制复杂等特点。可控硅相控变频器、矩阵变换器均未实现交流负载与交流电网间的电气隔离，即属于无电气隔离的AC/AC变换器。Joao C.Oliveira等人提出了“半桥PWM AC/AC变换器电路拓扑”(IEEE APEC，1996，pp.709-715)，具有电路拓扑简洁、功率开关工作在高频、输出交流负载与输入交流电网电气隔离、但变压器传递含有输出工频分量的SPWM波等特点，因此，这种变换器属于低频环节AC/AC变换器，体积重量与音频噪音大。
如果将输入低频交流整流滤波，然后再经高频环节逆变器逆变成低频交流，便可构成传统的交-直-交型高频环节AC/DC/AC变换器。由于传统的交-直-交型高频环节AC/DC/AC变换器存在三级功率变换(低频交流/直流/高频交流/低频交流)、单向功率流、电路拓扑偏复杂、体积与重量偏大、变换效率偏低、电网谐波污染严重等缺点，因此，寻求具有优良综合性能的交-交型高频环节AC/AC变换器(高频交流环节AC/AC变换器)已迫在眉睫。
发明内容
本发明目的是为实现具有高功率密度、高变换效率、高频电气隔离、双向功率流、网侧电流波形可得到改善、无音频噪音和广泛应用前景的新型交流稳压器、变频电源和电子变压器提供关键技术。
本发明内容是将传统的交-直-交型高频环节AC/DC/AC变换器中的低频交流/直流与直流/高频交流两级功率变换电路一体化，直接将输入低频交流逆变成高频交流，省去了低频交流/直流变换环节，提出了交-交型高频环节AC/AC变换器(高频交流环节AC/AC变换器)的电路结构，由输入周波变换器、高频变压器或高频储能式变压器、输出周波变换器以及输入、输出滤波电路构成。具有电路拓扑简洁、两级功率变换(低频交流/高频交流/低频交流)、双向功率流、网侧电流波形可得到改善、体积小、重量轻、变换效率高、高频电气隔离、无音频噪音等优点。该电路结构包括以正激Forward变换器为基础的电压源高频交流环节AC/AC变换器和以反激Flyback变换器为基础的电流源高频交流环节AC/AC变换器，前者能够将一种频率的交流电变换成另一种同频率的交流电，后者能够将一种频率的交流电变换成另一种同频率或不同频率的交流电。交-交型高频环节AC/AC变换器的综合性能比传统的交-直-交型高频环节AC/DC/AC变换器优越。
附图说明
图1，电压源高频交流环节交/交变换器电路结构图。
图2，电压源高频交流环节交/交变换器电路拓扑族实例图(一)。
图3，电压源高频交流环节交/交变换器电路拓扑族实例图(二)。
图4，电压源高频交流环节交/交变换器移相控制原理图。
图5，电流源高频交流环节交/交变换器电路结构图。
图6，电流源高频交流环节交/交变换器电路拓扑族实例图(一)。
图7，电流源高频交流环节交/交变换器电路拓扑族实例图(二)。
具体实施方式
以正激Forward变换器为基础的电压源高频交流环节AC/AC变换器电路结构，由输入周波变换器、高频变压器、输出周波变换器以及输入、输出滤波电路构成，如图1所示。该电路结构中的输入周波变换器和输出周波变换器均由四象限高频功率开关构成，能承受双向电压应力和双向电流应力。当电网向负载传递功率时，输入周波变换器将低频交流调制成高频交流脉冲(逆变工作方式)，而输出周波变换器将高频交流脉冲解调成低频交流脉冲(整流工作方式)，通过输出滤波电路滤波后得到低频正弦交流电压，输入滤波电路容易使网侧电流波形好、功率因数高；当负载向电网回馈能量时，输出周波变换器工作在调制状态(逆变工作方式)，而输入周波变换器工作在解调状态(整流工作方式)。
电压源高频交流环节AC/AC变换器电路拓扑族实施例，如图2和图3所示。该电路拓扑族中，图2(a)为单正激式电路，图2(b)为并联交错正激式电路，图2(c)为推挽全波式电路，图2(d)为推挽桥式电路，图3(e)为半桥全波式电路，图3(f)为半桥桥式电路，图3(g)为全桥全波式电路，图3(h)为全桥桥式电路。该电路拓扑族适用于相同频率的交流电变换，可用来实现具有优良综合性能和广泛应用前景的新型交流稳压器(如220V±10％50HzAC/220V50HzAC)、电子变压器(如115V400HzAC/36V400HzAC)。从输入周波变换器看，单正激式、并联交错正激式、推挽式电路高频功率开关承受的最大电压应力为两倍的输入交流电压幅值，适用于低压输入变换场合；半桥式、全桥式电路高频功率开关承受的最大电压应力为输入交流电压幅值，适用于高压输入变换场合；单正激电路适用于小功率变换场合，半桥式电路适用于中功率变换场合，并联交错正激式、推挽式、全桥式电路适用大功率变换场合。从输出周波变换器看，全波式电路有两个四象限高频功率开关，高频功率开关电压应力大，变压器副边绕组利用率低，适用于低电压大电流输出变换场合；桥式电路有四个四象限高频功率开关，高频功率开关电压应力低，变压器副边绕组利用率高，适用于高电压小电流输出变换场合。
电压源高频交流环节AC/AC变换器采用移相控制原理，如图4所示。输入周波变换器的四象限高频功率开关S1(S1’)与S2(S2’)、输出周波变换器的四象限高频功率开关S3(S3’)与S4(S4’)的驱动信号均为互补的高频方波信号；四象限高频功率开关S3(S3’)与四象限高频功率开关S1(S1’)、四象限高频功率开关S4(S4’)与四象限高频功率开关S2(S2’)的驱动信号有一相位差θ(移相角)，通过改变移相角便可实现变换器输出电压的稳定与调节。以反激Flyback变换器为基础的电流源高频交流环节AC/AC变换器电路结构，由输入周波变换器、高频储能式变压器、输出周波变换器以及输入、输出滤波电路构成，如图5所示。该电路结构中，输入周波变换器由四象限高频功率开关构成，输出周波变换器由两个二象限高频功率开关构成，且不需专设输出交流滤波电感。按照输入电压、输出电压与输出电流的极性，电流源高频交流环节AC/AC变换器有八种工作模式(不同频率的交流电变换)或四种工作模式(同频率的交流电变换)，每一种工作模式的电路拓扑结构都相当于一个反激Flyback变换器，当变换器带不同性质负载时工作模式顺序是不同的。因此，与电压源高频交流环节AC/AC变换器相比较，电流源高频交流环节AC/AC变换器电路拓扑更加简洁、易并联、且适用于中小功率变换场合。以每个电流源高频交流环节AC/AC变换器为基本单元，就可以并联实现大功率的电流源高频交流环节AC/AC变换器。当电网向负载传递功率时，输入周波变换器将低频交流电压调制成高频脉动电流，输出周波变换器将高频脉动电流解调，通过输出滤波电容滤波后得到低频交流电压，输入交流滤波器容易使得网侧电流波形好、功率因数高；当负载向电网回馈能量时，输出周波变换器工作在调制状态，输入周波变换器工作在解调状态。
电流源高频交流环节AC/AC变换器电路拓扑族实施例，如图6和图7所示。该电路拓扑族中，输入周波变换器不同，而输出周波变换器完全相同。图6(a)为单四象限功率开关式电路，图6(b)为推挽式电路，图7(c)为半桥式电路，图7(d)为全桥式电路。图6(a)电路中，由于输入周波变换器未能改变输入电网电压加在储能式变压器原边绕组两端的电压极性，因而该电路仅适用于相同频率的交流电变换，可用来实现具有优良综合性能和广泛应用前景的新型交流稳压器(如220V±10％50HzAC/220V50HzAC)、电子变压器(如115V400HzAC/36V400HzAC)；图6(b)、图7(c)、图7(d)电路中，由于输入周波变换器四象限高频率功率开关S1(S1’)与S2(S2’)按照输入电网电压和输出电压两者频率较高者导通转换时，能够改变输入电网电压加在储能式变压器绕组两端的电压极性(输入电网电压极性不变时，加在储能式变压器原边绕组两端的电压极性改变；输入电网极性变化时，加在储能式变压器原边绕组两端的电压极性不变)，因而该电路适用于不同频率的交流电变换，可用来实现具有优良综合性能和广泛应用前景的新型变频电源(如220V50HzAC/115V400HzAC、115V400HzAC/220V50HzAC)。单四象限功率开关式、推换式电路原边高频功率开关电压应力近似为输入交流电压幅值的两倍，适用于低压输入变换场合。半桥式、全桥式电路原边高频功率开关电压应力为输入交流电压的幅值，适用于高压输入变换场合。
电流源高频交流环节AC/AC变换器采用电压瞬时值控制原理。将变换器输出的正弦交流电压反馈信号与正弦基准信号比较，经比例积分调节器后得到了误差放大信号，该误差放大信号与三角波载波信号比较后得到了SPWM信号，经适当的逻辑变换电路和驱动电路后得到了每个高频功率开关的驱动信号。通过调节SPWM信号的占空比，即可实现变换器输出电压的稳定与调节。

Claims (3)

1、一种高频交流环节交/交变换器，其特征在于，电压源高频交流环节交/交变换器，由输入周波变换器、高频变压器，输出周波变换器以及输入滤波电路和输出滤波电路所构成；电流源高频交流环节交/交变换器，由输入周波变换器，高频储能式变压器，输出周波变换器以及输入滤波电路和输出滤波电路所构成。
2、根据权利要求1所述的高频交流环节交/交变换器，其特征在于，电压源高频交流环节交/交变换器的输入周波变换器和输出周波变换器均由四象限高频功率开关构成，其电路拓扑族包括单正激式、并联交错正激式、推挽全波式、推挽桥式、半桥全波式、半桥桥式、全桥全波式、全桥桥式电路。
3、根据权利要求1所述的高频交流环节交/交变换器，其特征在于，电流源高频交流环节交/交变换器的输入周波变换器由四象限高频功率开关构成，输出周波变换器由两个二象限高频功率开关构成，输出滤波电路只由电容电路组成，其电路拓扑族包括单四象限功率开关式、推挽式、半桥式、全桥式电路。
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