CN208369482U - 一种单相Buck-boost AC-AC变流器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种单相Buck‑boost AC‑AC变流器，包括电源，输入滤波器，输出滤波电容，中间电感，开关管以及正极分别对应连接在所述场效应管漏极的二极管；由三个带六个开关单元的支路组成，每个单元由一个有源开关和一个二极管组成，它可以提供Buck‑boost操作并免受直通问题的影响；由于在电流路径中只涉及两个开关单元，所以传导损耗很低，提高了系统效率；可以作为DVRs来保护敏感负载免受电压干扰，例如电压下陷和膨胀。它还适用于需要输出电压和频率调节的应用，如感应加热，风扇或泵的速度控制，感应电动机驱动等。

Description

一种单相Buck-boost AC-AC变流器

技术领域

本实用新型涉及变流器领域，具体涉及一种单相Buck-boost AC-AC变流器。

背景技术

变流器是使电源系统的电压、频率、相数和其他电量或特性发生变化的电器设备。在实际应用场合中，有些场合需要将交流电源变成直流电源，这就是整流电路。在另外一些场合则需要将直流电源变成交流电源，这种对应于整流的逆向过程，定义为逆变电路。在一定条件下，一套晶闸管电路既可以作整流电路又可作逆变电路，这种装置称为变流器。

变流器有各种途径可实现，但同场需要耗损一定的能量才能实现变流换向等功能，能耗大即要求散热满足要求否则会烧毁变流器自身，对设计提出了较高要求。所以减小变流器自身损耗成为变流器的设计中一大问题。

实用新型内容

为了解决背景技术中的问题，本实用新型提出一种单相 Buck-boost AC-AC变流器，具体由以下方案实现：

一种单相Buck-boost AC-AC变流器，包括电源u_i，输入滤波器，电容C₀，电感L，开关管S₁、S₂、S₃、S₄、S₅、S₆，以及正极分别对应连接在所述开关管漏极的二极管D₁、D₂、D₃、D₄、D₅、D₆；

所述开关管S₁、S₂、S₃、S₄、S₅、S₆的控制极均连接PWM控制芯片；

所述S₁、S₃、S₅的源极分别连接所述D₂、D₄、D₆的负极，所述D₁、 D₃、D₅的负极相连，通过电感L串联到S₂、S₄、S₆的源极；

所述电源输出端连接输入滤波器，滤波器的正输出端连接D₂的负极，负输出端连接D₄的负极构成变流器的正输出端，D₆的负极构成变流器的负输出端，电容C₀连接在变流器的输出正负端构成输出滤波器。

进一步改进在于，所述输入滤波器包括一个串联电感和一个并联电容。

进一步改进在于，所述开关管S₁、S₂、S₃、S₄、S₅、S₆为N沟道增强型场效应管。

本文提出了一种变流器，它由三个带六个开关单元的支路组成 (每个单元由一个有源开关和一个二极管组成)，其输入和输出端口共地。它可以提供降压-升压操作并免受直通问题的影响。由于在电流路径中只涉及两个开关单元，所以传导损耗很低，提高了系统效率。

本文所提出的换流器可以作为DVRs来保护敏感负载免受电压干扰，例如电压下陷和膨胀。它还适用于需要输出电压和频率调节的应用，如感应加热，风扇或泵的速度控制，感应电动机驱动等。

附图说明

图1为本实用新型实施例结构图；

图2为本实用新型实施例主要参数波形图；

图3-8为本实用新型实施例状态1-6的电流流向图

具体实施方式

为了使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本实用新型。

如附图1，一种单相Buck-boost AC-AC变流器，包括电源ui，输入滤波器，电容C₀，电感L，N沟道增强型场效应管构成的开关管 S₁、S₂、S₃、S₄、S₅、S₆，以及正极分别对应连接在所述场效应管漏极的二极管D₁、D₂、D₃、D₄、D₅、D₆；

所述电源为交流电源，定义其一端为正极，流出电流定义为i_l，正极依次串联L_g、C_g，并连接电源负极；

所述S₁、S₃、S₅的源极分别连接所述D₂、D₄、D₆的负极，所述D₁、 D₃、D₅的负极相连，通过电感L串联到S₂、S₄、S₆的源极；

所述开关管S₁、S₂、S₃、S₄、S₅、S₆的控制极均连接PWM控制芯片；

C_g的正极连接D₂的负极，C_g的负极连接D₄的负极构成变流器的正输出端，D₆的负极构成变流器的负输出端，电容C₀连接在变流器的输出正负端构成输出滤波器。

负载Load连接在变流器的输出正负端之间，其收到的电压为u₀，由变流器正输出端流向负载的电流定义为i₀，D₁负极流向电感L的电流定义为i_L。

由D₁至S₂形成A支路，D₃至S₄形成B支路，D₅至S₆形成C支路。 A支路和B支路构成整流器，B支路和C支路构成逆变器。因此，B 支路被共享。每条支路由两个开关单元组成。

在本实施例中，中间电感电流控制为正弦波形。假设电网电压是理想的正弦波形，所有有源和无源元件都是理想的，且每个开关周期内的开关电压纹波忽略不计。

在同频运行时，输入频率f_in和输出频率f_o相同。存在两种运行模式：非逆变降压-升压工作模式和逆变降压-升压工作模式。相关的开关序列和主要波形如图，2所示，其中T_s为开关周期。详细分析如下。

1.对于非逆变降压-升压运行模式：在正半周期(u_i>0)期间，只有开关管S₁由占空比为D的PWM信号驱动，开关管S₂，S₃和S₆保持关闭，并且开关管S₄和S₅保持导通。

在DT_s周期内，开关管S₁导通。开关状态和电流路径如图，3所示。虽然S₅也导通，但它不会作为反向偏置电压(u_i+u_o)施加在D₅上。能量从电网传输到中间电感，电感L的动态微分方程为

在(1-D)Ts周期内，开关管S1断开。开关状态和电流路径如图4所示。由于S5始终导通，因此不需要重叠时间(避免中间电感电流开路)。存储在中间电感器L中的能量被释放到负载。应用基尔霍夫电压定律(KVL)：

根据伏秒平衡原理，式(1)和式(2)，电压增益为

从式(3)可以看出，所提出的转换器既可以降压也可以升压输入电压。

在负半周期(u_i<0)期间，只有开关管S₂由占空比为D的PWM信号驱动，开关管S₁，S₄和S₅保持关断，并且开关管S₃和S₆保持导通。此时处于状态3和4，如图5、6所示，并且可以类似地分析运行原理。

2.对于逆变Buck-boost运行模式：在正半周期(u_i>0)期间，开关管S₁和S₄由占空比为D的PWM信号驱动，开关管S₂和S₅保持关断，并且开关管S₃和S₆保持接通。在DT_s周期时间内，开关管S₁和 S₄导通。虽然S₃(S₆)也导通，但它不会作为反向偏置电压u_i(|u_o|) 施加在D₃(D₆)上。电流路径如图7所示。在(1-D)T_s周期时间内，开关管S₁和S₄均关断，开关管S₃和S₆导通电流i_L，如图6所示。

在负半周期(u_i<0)期间，开关管S₂和S₃由具有相同占空比D 的PWM信号驱动，开关管S₁和S₆保持关断，并且开关S₄和S₅保持导通。此时处于状态2和6，如图4、8所示，并且可以类似地分析运行原理。可以发现，尽管开关管状态不同，但状态5(状态6)和状态1(状态3)的电流路径是相同的。

电感L的充电和放电过程与非逆变升降压运行模式相同。基于伏秒原理，在所提出逆变器的逆变Buck-boost运行模式下的电压增益可以被描述为

从式(4)可以看出，该模式的电压增益为-D/(1-D)，这与非逆变Buck-boost运行模式中的相同。符号“-”表示输出电压u_o与输入电压u_i反相。

根据此实施例，本转换器可以降低和提升输入电压，从而增强输出电压的范围。此外，即使在所有开关同时打开的情况下，它也不受电压源的直通问题影响。其亮点是，与现有转换器相比功耗更小，从而提高了系统效率。

本文所提出的换流器可以作为DVRs来保护敏感负载免受电压干扰，例如电压下陷和膨胀。它还适用于需要输出电压和频率调节的应用，如感应加热，风扇或泵的速度控制，感应电动机驱动等。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (3)

1.一种单相Buck-boost AC-AC变流器，其特征在于：包括电源u_i，输入滤波器，电容C₀，电感L，开关管S₁、S₂、S₃、S₄、S₅、S₆，以及正极分别对应连接在所述开关管漏极的二极管D₁、D₂、D₃、D₄、D₅、D₆；

所述开关管S₁、S₂、S₃、S₄、S₅、S₆的控制极均连接PWM控制芯片；

所述S₁、S₃、S₅的源极分别连接所述D₂、D₄、D₆的负极，所述D₁、D₃、D₅的负极相连，通过电感L串联到S₂、S₄、S₆的源极；

所述电源输出端连接输入滤波器，滤波器的正输出端连接D₂的负极，负输出端连接D₄的负极构成变流器的正输出端，D₆的负极构成变流器的负输出端，电容C₀连接在变流器的输出正负端构成输出滤波器。

2.根据权利要求1所述的一种单相Buck-boost AC-AC变流器，其特征在于：所述输入滤波器包括一个串联电感和一个并联电容。

3.根据权利要求1所述的一种单相Buck-boost AC-AC变流器，其特征在于，所述开关管S₁、S₂、S₃、S₄、S₅、S₆为N沟道增强型场效应管。