CN203339952U

CN203339952U - 一种开关电容式交流-交流变换器

Info

Publication number: CN203339952U
Application number: CN2013204031847U
Authority: CN
Inventors: 王忠阁; 蔡慧; 汪伟; 郭育
Original assignee: China Jiliang University
Current assignee: China Jiliang University
Priority date: 2013-07-02
Filing date: 2013-07-02
Publication date: 2013-12-11
Anticipated expiration: 2023-07-02

Abstract

本实用新型是一种开关电容式交流-交流变换器，属于电力电子变换的技术领域。所述开关电容式交流-交流变换器的输入端与交流电压源连接，输出端与负载电路连接。开关电容式交流-交流变换器包括：功率开关管、快恢复二极管、电容、负载电阻，采用电容作为传递能量的元件，具有动态响应快的优点，通过调节功率开关管的占空比控制电容的充放电时间，实现电能的变换。由于不含有磁性元件，因此具有体积小、重量轻、功率密度高等优点，实用性很高。

Description

一种开关电容式交流-交流变换器

技术领域

本实用新型涉及一种开关电容式交流-交流变换器，属于电力电子变换的技术领域。

背景技术

传统的交流电能变换通常采用电磁变压器，具有电气隔离、效率高、容量大等优点，但也存在体积大、音频噪声大、谐波污染等缺点，同时传统的电磁变压器满足不了电气电子设备小型化的要求。随着功率技术的发展，功率变换器广泛应用于交流-交流变换，可以将某一频率和幅值的交流电能转换成同一或另一频率和幅值的交流电能，但性能和应用范围受到限制。开关电容变换器是一种典型的无磁性元件变换器，它由电容和一定数量的开关组成，电容作为主要的储能元件，通过开关控制电容的充放电时间，从而实现电能的变换，具有体积小，重量轻，效率高，无电磁干扰等优点。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种开关电容式交流-交流变换器。

本实用新型采用的技术方案是：

一种开关电容式交流-交流变换器，其输入端与交流电压源连接，输出端与负载电阻R_L连接，主电路由电容C₁、C₂、C₃、功率开关管S₁、S₂、S₃、S₄和二极管D₁₁、D₁₂、D₂₁、D₂₂、D₃₁、D₃₂、D₄₁、D₄₂组成，输入电源u_i的正极与第一功率开关管S₁的漏极连接，第一功率开关管S₁的源极与二极管D₁₁的阳极连接，二极管D₁₁的阴极与二极管D₁₂的阳极连接，二极管D₁₂的阴极与第一功率开关管S₁的漏极连接，二极管D₁₁的阴极与第二功率开关管S₂的漏极连接，第二功率开关管S₂的源极与二极管D₂₁的阳极连接，二极管D₂₁的阴极与二极管D₂₂的阳极连接，二极管D₂₂的阴极与第二功率开关管S₂的漏极连接，二极管D₂₁的阴极与第三功率开关管D₃的漏极连接，第三功率开关管S₃的源极与二极管D₃₁的阳极连接，二极管D₃₁的阴极与二极管D₃₂的阳极连接，二极管D₃₂的阴极与第三功率开关管S₃的漏极连接，二极管D₃₁的阴极与第四功率开关管S₄的漏极连接，第四功率开关管S₄的源极与二极管D₄₁的阳极连接，二极管D₄₁的阴极与二极管D₄₂的阳极连接，二极管D₄₂的阴极与第四功率开关管S₄的漏极连接，二极管D₄₁的阴极与输入电源u_i的负极连接，第一电容C₁并联在二极管D₁₁的阴极与二极管D₃₁的阴极两端，第二电容C₂并联在第一功率开关管S₁的漏极和二极管D₂₁的阴极的两端，第三电容C₃并联在二极管D₂₁的阴极与二极管D₄₁的阴极两端，负载电阻R_L并联在第三电容C₃的两端，驱动电路提供功率开关管的驱动信号分别与各功率开关管的栅极连接。

电路拓扑结构为降压变换器，主电路中各电容两端的电压等于输入电压的1/2，并且不含有直流分量，可以实现固定电压变比1/2。

驱动电路提供驱动功率开关管S₁、S₂、S₃、S₄的PWM信号，控制功率开关管的导通与关断，使电路工作在不同的状态。

本实用新型相比于现有技术具有以下有益效果：

(1)主电路拓扑结构简单，控制简便，降低了生产成本。

(2)仅以电容作为储能元件，降低了变换器的体积和重量，提高了功率密度，减小了电磁干扰，提高了变换器的效率。

(3)可将变换器模块化生产，根据需求不同，改变使用变换器模块的数量，得到不同的电压变换，使用范围灵活，广泛。

附图说明

图1是本实用新型一种开关电容式交流-交流变换器的主电路拓扑图

图2是本实用新型主电路中驱动功率开关管的信号波形图

图中标号说明：u_i为交流电压源；C₁、C₂、C₃分别为第一、第二、第三电容；S₁、S₂、S₃、S₄分别为第一、第二、第三、第四功率开关管；D₁₁、D₁₂、D₂₁、D₂₂、D₃₁、D₃₂、D₄₁、D₄₂分别为快恢复二极管；R_L为负载电阻；u_o为输出电压；D为PWM波的占空比；T_S为功率开关管的开关周期。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：

如图1所示，一种开关电容式交流-交流变换器，可以实现u_o＝1/2u_i。主电路中含有4个功率开关管分别是S₁、S₂、S₃、S₄，3个电容分别是C₁、C₂、C₃。输出电阻R_L两端的电压u_o为该开关电容式交流-交流变换器的输出电压。电容C₁确保电容C₂和电容C₃两端的电压平衡。在整个电压周期中，各个电容和功率开关管两端的电压都等于输入电压的1/2。

在一个开关周期中，变换器有两种工作状态，以输入电压正半周期为例，工作状态描述如下：

第一个状态：功率开关管S₁、S₃闭合，功率开关管S₂、S₄断开。开始时，电容C₂放电，电容C₃充电，当电路中的电流减小为零时，电容C₂开始充电，电容C₃开始放电直到这个状态结束。在这整个状态过程中，电容C₁一直充电，电能由输入电源u_i传输给变换器电路。这个状态结束时，功率开关管S₁、S₃断开，功率开关管S₂、S₄闭合。

第二个状态：功率开关管S₂、S₄闭合，功率开关管S₁、S₃断开。首先，变换器电路将电能传输给输入电源u_i，电容C₂充电，电容C₃放电，直到电路中的电流减小为零，此时电能由输入电源u_i传输给变换器电路。电容C₂开始放电，电容C₃开始充电直到这个状态结束。在这整个状态过程中，电容C₁一直放电。这个状态结束时，功率开关管S₁、S₃闭合，功率开关管S₂、S₄断开。

第二个状态结束后，新的开关周期从第一种状态开始。

在输入电压的负半周期，变换器的工作状态类似，只是电流的方向相反。

在整个工作状态中，功率开关管S₁、S₂、S₃、S₄的工作频率为50KHz，驱动电路提供的驱动信号PWM波的占空比D＝0.5。

综上所述，本实用新型所述的一种开关电容式交流-交流变换器，仅以电容作为储能元件，驱动信号控制功率开关管的导通与关断，从而控制电容的充放电时间，实现输入输出电压的固定变比为1/2，降低了变换器的体积和重量，提高了变换器的功率密度。

Claims

1.一种开关电容式交流-交流变换器，其输入端与交流电压源连接，输出端与负载电阻R_L连接，主电路由电容C₁、C₂、C₃，功率开关管S₁、S₂、S₃、S₄和二极管D₁₁、D₁₂、D₂₁、D₂₂、D₃₁、D₃₂、D₄₁、D₄₂组成，输入电源u_i的正极与第一功率开关管S₁的漏极连接，第一功率开关管S₁的源极与二极管D₁₁的阳极连接，二极管D₁₁的阴极与二极管D₁₂的阳极连接，二极管D₁₂的阴极与第一功率开关管S₁的漏极连接，二极管D₁₁的阴极与第二功率开关管S₂的漏极连接，第二功率开关管S₂的源极与二极管D₂₁的阳极连接，二极管D₂₁的阴极与二极管D₂₂的阳极连接，二极管D₂₂的阴极与第二功率开关管S₂的漏极连接，二极管D₂₁的阴极与第三功率开关管S₃的漏极连接，第三功率开关管S₃的源极与二极管D₃₁的阳极连接，二极管D₃₁的阴极与二极管D₃₂的阳极连接，二极管D₃₂的阴极与第三功率开关管S₃的漏极连接，二极管D₃₁的阴极与第四功率开关管S₄的漏极连接，第四功率开关管S₄的源极与二极管D₄₁的阳极连接，二极管D₄₁的阴极与二极管D₄₂的阳极连接，二极管D₄₂的阴极与第四功率开关管S₄的漏极连接，二极管D₄₁的阴极与输入电源u_i的负极连接，第一电容C₁并联在二极管D₁₁的阴极与二极管D₃₁的阴极两端，第二电容C₂并联在第一功率开关管S₁的漏极和二极管D₂₁的阴极的两端，第三电容C₃并联在二极管D₂₁的阴极与二极管D₄₁的阴极两端，负载电阻R_L并联在第三电容C₃的两端，驱动电路提供功率开关管的驱动信号分别与各功率开关管的栅极连接。

2.根据权利要求1所述的一种开关电容式交流-交流变换器，其特征在于：电路拓扑结构为降压变换器，主电路中各电容两端的电压等于输入电压的1/2，并且不含有直流分量，输出负载电阻两端的电压等于输入电压的1/2，可以实现的固定电压增益为1/2。

3.根据权利要求1所述的一种开关电容式交流-交流变换器，其特征在于：驱动电路提供驱动功率开关管S₁、S₂、S₃、S₄的PWM信号，控制功率开关管的导通与关断，使电路工作在不同的状态。

4.根据权利要求1所述的一种开关电容式交流-交流变换器，其特征在于：所述功率开关管为MOS管或者IGBT管。

5.根据权利要求1所述的一种开关电容式交流-交流变换器，其特征在于：所述二极管为快恢复二极管。