CN208479477U - 一种双向变流装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及变流电路技术领域，公开了一种双向变流装置，主要由第一IGBT桥臂、第二IGBT桥臂及变压器组成。变压器具备升压与降压的功能，在变压器的第一绕组侧还有四个场效应管，交替通/断为电路提供固定移相角电压，电压由电池提供，通过场效应管流向变压器，形成低压直流电压，变压器升压后经第一IGBT桥臂逆变后向第一LC振荡输出，经滤波后的电压输出到第二IGBT桥臂进行逆变，将交流电压连接到交流侧，为电网电力补偿。若电池组件电量过低时，交流侧电压通过上述的电路，将电压加在电池组件两端，进行对电池组件充电。该双向变流装置能够提供仪器设备正常运转需要稳定的电压及电池组件电量过低时可以反向对电池充电。

Description

一种双向变流装置

技术领域

本实用新型涉及变流电路技术领域，更具体地说，涉及一种双向变流装置。

背景技术

蓄电池等一般储能元件，长时间储存电能时会随着时间的推移而损失电能，不利于长时间存放，当负载过载或是市电突然中断时，蓄电池能够暂时作为能源补偿，但蓄电池输出电源为单一直流源。随着社会的进步，社会的生产、生活对交流电力的需求量增大，对电网供电质量要求也越来越高，蓄电池等储能元件输出的直流电压不能满足日常生产生活的供电需求，且蓄电池在长时间输出会过热引起火灾或其他的安全事故。

因此，现有技术中，提供了一种变流装置，能够将蓄电池通过升压、逆变输出220V的交流电，可以在市电欠压或低压情况下，为电网提供电力补偿。但该变流器输出电压工作在线性负载时，电压波动较大且波形失真较明显，输出的电源不能满足对电压或电流质量要求较高的生产仪器设备的用电需求。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题在于提供一种输出电压稳定且交流电流质量高的双向变流器装置。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种双向变流装置，主要由第一IGBT桥臂、第二IGBT桥臂及变压器TX21组成，所述第一IGBT桥臂具有第一IGBTQ101、第二IGBT Q102、第三IGBT Q103及第四IGBT Q104，所述第二IGBT桥臂具有第五IGBTQ201、第六IGBT Q202、第七IGBT Q203及第八IGBT Q204；

所述第一IGBT Q101与所述第三IGBT Q103串联，所述第二IGBT Q102与第四IGBTQ104串联后再并联在所述第一IGBT Q101与所述第三IGBT Q103串联后的两端；

所述第五IGBT Q201与所述第七IGBT Q203串联，所述第六IGBT Q202与第八IGBTQ204串联后再并联在所述第五IGBT Q201与所述第七IGBT Q203串联后的两端；

所述第一IGBT Q101的集电极、所述第二IGBT Q102的集电极、所述第五IGBT Q201的集电极及所述第六IGBT Q202的集电极共同连接；

所述第三IGBT Q104的发射极、所述第四IGBT Q104的发射极、所述第七IGBT Q203的发射极及所述第八IGBT Q204的发射极共同连接；

所述变压器TX21具有第一绕组以及第二绕组，所述第二绕组具有至少位于绕组两端的第一抽头21、第二抽头22；

所述第一抽头21连接在所述第二IGBT Q102的发射极和所述第四IGBT Q104的集电极之间，所述第二抽头22连接在所述第一IGBT Q101的发射极和所述第三IGBT Q103的集电极之间；

在直流电压转换成交流电流情况下，所述第二绕组与所述第一IGBT桥臂构成前级升压电路，所述第二IGBT桥臂构成前级逆变输出电路；在交流转换成直流情况下，所述第二绕组与所述第一IGBT桥臂构成后级逆变电路，所述第二IGBT桥臂构成前级输出固定占空比电路。

优选地，还包括第一电感器L1、第一电容器C1，所述第一电感器L1的一端与所述第一IGBT Q101的集电极和所述第二IGBT Q102的集电极共同连接，所述第一电感器L1的另一端与所述第一电容器C1的正极、所述第五IGBT Q201的集电极及所述第六IGBT Q202的集电极共同连接；

所述第一电容器C1的负极与所述第三IGBT Q103的发射极、所述第四IGBT Q104的发射极、所述第七IGBT Q203的发射极及所述第八IGBTQ204的发射极共同连接。

优选地，所述变压器TX21的所述第一绕组具有第三抽头21和第四抽头22，在所述变压器TX21的第一绕组侧还包括第一场效应管Q1、第二场效应管Q2、第三场效应管Q3、第四场效应管Q4以及电池组件，所述第一场效应管Q1与所述第三场效应管Q3串联，所述第二场效应管Q2与所述第四场效应管Q4串联后再并联在串联的所述第一场效应管Q1、所述第三场效应管Q3两端；

所述第一场效应管Q1的漏极、所述第二场效应管Q2的漏极同时连接所述电池组件的正极，所述第三场效应管Q3的源极、所述第四场效应管Q4的源极同时连接所述电池组件的负极；

所述第一场效应管Q1的源极与所述第三场效应管Q3的漏极连接并连接到所述第三抽头11，所述第二场效应管Q2的源极与所述第四场效应管Q4的漏极连接并连接到所述第四抽头12。

优选地，还包括第二电感器L2、第二电容器C2，所述第二电感器L2的一端连接在所述第五IGBT Q201的发射极与所述第二桥臂的第七IGBT Q203的集电极之间，所述第二电感器L2的另一端与所述第二电容器C2的正极和交流侧正极共同连接，所述第二电容器C2的负极连接在所述第七IGBT Q203的发射极和所述第二桥臂的第八IGBT Q204的集电极以及交流侧负极共同连接。

在本实用新型的双向变流器中，简化现有的电路，减少电路的元器件，优化电压和电流的输出性能，使双向变流装置工作在线性区，电压波动范围在可控范围之内，提高电路输出电压稳定性和电流的质量，此外，电路输出波形失真小且具有占空比固定。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中：

图1是双向变流装置的电路图；

图2是IGBT的PWM脉冲驱动信号图；

图3是场效应管驱动信号图。

具体实施方式

为了对本实用新型的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本实用新型的具体实施方式。

图1是双向变流装置的电路图。如图1所示，在本实用新型的一种优选的实施方式中，主要由第一IGBT桥臂、第二IGBT桥臂以及变压器TX21组成，第一IGBT桥臂由四个相同参数的IGBT连接构成，具体分为第一IGBT Q101、第二IGBT Q102、第三IGBT Q103及第四IGBTQ104，主要作用是逆变，改变电流输出到下一级的波形。第二IGBT桥臂也是四个相同参数的IGBT连接构成，具体分为第五IGBT Q201、第六IGBT Q202、第七IGBT Q203及第八IGBTQ204，主要作用是斩波和逆变，完善电流输出到下一级的波形。进一步地，如图2所示，八个IGBT不能够同时导通，通过外接驱动信号来控制这八个IGBT的导通顺序，第二IGBT Q102、第三IGBT Q103、第五IGBT Q201与第八IGBT Q204导通时，第一IGBT Q101、第四IGBT Q104、第六IGBT Q202与第七IGBT Q203截止，当第一IGBT Q101、第四IGBT Q104、第六IGBT Q202与第七IGBT Q203处于导通状态时，第二IGBT Q102、第三IGBT Q103、第五IGBT Q201和第八IGBT Q204截止，通过输入电平的变化，使其在一个周期内饱和与截止两种状态交替工作，实现电压逆变以及斩波。

变压器TX21同时具有升压和降压的功能，在足功率的情况下，可以根据电流的方向来实现升压或者降压，满足电路对高电压与低电压的需求。变压器TX21具有第一绕组以及第二绕组，所述第二绕组具有至少位于绕组两端的第一抽头21、第二抽头22。

第一IGBT Q101与第三IGBT Q103串联，变压器XT21的第二抽头22连接在第一IGBTQ101的发射极和所述第三IGBT Q103的集电极之间。第二IGBT Q102与第四IGBT Q104串联，变压器XT21的第一抽头21连接在第二IGBT Q102的发射极和第四IGBT Q104的集电极之间，第二IGBT Q102与第四IGBT Q104串联后再并联在第一IGBT Q101与第三IGBT Q103串联后的两端。若电压从直流侧流出，变压器XT21第二绕组是经过升压后向第一IGBT桥臂提供直流电压，若电压从交流侧流出，第一IGBT桥臂可调压和限幅，为变压器XT21提供合适的输入电压。

在本实施方式中，由于变压器XT21在足功率的情况下，可以兼做升压或降压，因此直流侧需要低压电压或交流侧需要高压电压都可以通过一个变压器获得实现。另外，第一IGBT桥臂与第二IGBT桥臂在交替导通时，通过控制通断时间，实现交流与直流或直流与交流之间的转换，进一步简化了电路结构，提高了输出电压的稳定性。

在本实施方式中，为了提高电流与电压的质量，可在双向变流装置电路中设置第一电感器L1、第一电容器C1、第二电感器L2及第二电容器C2。第一电感器L1与第一电容器C1组成LC振荡电路，第二电感器L2及第二电容器C2组成LC滤波电路，第一电感器L1及第二电感器L2具有通直流、阻交流，通低频、阻高频的功能，而第一电容器C1和第二电容器C2具有通交隔直的作用。第一电感器L1、第一电容器C1、第二电感器L2及第二电容器C2的参数可根据电路的输出功率来选择合适的。第一电感器L1的一端与第一IGBT Q101的集电极和第二IGBT Q102的集电极共同连接，第一电感器L1的另一端与第一电容器C1的正极、第五IGBTQ201的集电极及第六IGBT Q202的集电极共同连接。第一电容器C1的负极与第三IGBT Q103的发射极、第四IGBTQ104的发射极、第七IGBT Q203的发射极及第八IGBT Q204的发射极共同连接，给第七IGBT Q203及第八IGBT Q204提供发射极电压，经过第一电感器L1滤波后的电流给第一电容器C1充电，同时向第五IGBT Q201和第六IGBT Q202提供集电极电压。第五IGBT Q201与第七IGBT Q203串联后再并联在第五IGBT Q201与第七IGBT Q203串联后的两端。第二电感器L2的一端连接在第五IGBT Q201的发射极与第七IGBT Q203的集电极之间，第二电感器L2的另一端与第二电容C2的正极和交流侧正极共同连接。第六IGBT Q202与第八IGBT Q204串联，第二电容C2的负极与连接在第六IGBT Q202的发射极与第八IGBT Q204的集电极之间交流侧负极并接，使得双向变流装置能够输出更加理想的交流电流。

变压器XT21的第一抽头21连接在第二IGBT Q102的发射极和第四IGBT Q104的集电极之间，为第二IGBT Q102以及第四IGBT Q104提供电压，第二抽头22连接在第一IGBTQ101的发射极和第三IGBT Q103的集电极之间，为第一IGBT Q101以及第三IGBT Q103提供电压。第一IGBT Q101的集电极、第二IGBT Q102的集电极、第五IGBT Q201的集电极及第六IGBT Q202的集电极共同连接，构成一组通路，第三IGBT Q104的发射极、第四IGBT Q104的发射极、第七IGBT Q203的发射极及第八IGBT Q204的发射极共同连接构成另一组通路，在直流转换成交流情况下，第二绕组与第一IGBT桥臂构成前级升压电路，第二IGBT桥臂构成前级逆变输出电路；在交流转换成直流情况下，第二绕组与第一IGBT桥臂构成后级逆变电路，第二IGBT桥臂构成前级输出固定占空比电路。

结合图3所示的触发信号对第一场效应管Q1、第四场效应管Q4同时导通而第二场效应管Q2和第三场效应管Q3同时截止及第二场效应管Q2、第三场效应管Q3同时导通而第一场效应管Q1、第四场效应管Q4同时截止的情况进行说明。在变压器TX21的第一侧还包括第一场效应管Q1、第二场效应管Q2、第三场效应管Q3、第四场效应管Q4以及电池组件，变压器TX21的第一绕组具有第三抽头11和第四抽头12。如图3所示，四个场效应管不能够同时导通，需要通过外接驱动信号来控制场效应管的导通顺序，第一场效应管Q1与第四场效应管Q4共用同一组驱动信号源，第二场效应管Q2与第三场效应管Q3共用同一组驱动信号源。当第一场效应管Q1与第四场效应管Q4导通时，第二场效应管Q2与第三场效应管Q3截止，第二场效应管Q2与第三场效应管Q3导通，第一场效应管Q1与第四场效应管Q4截止。通过驱动信号来控制场效应管的通断时间，获得固定移相角，每组导通的场效应管的移相角是180°，移相角互补导通，导通与截止之间相差一个相位。第一场效应管Q1与第三场效应管Q3串联，第二场效应管Q2与第四场效应管Q4串联后再并联在串联第一场效应管Q1、第三场效应管Q3两端。第一场效应管Q1的漏极、第二场效应管Q2的漏极同时连接电池组件的正极，第一场效应管Q1的源极、第二场效应管Q2的源极同时连接电池组件的负极。第一场效应管Q1的源极与第三场效应管Q3的漏极连接并连接到第三抽头11，第二场效应管Q2的源极与第四场效应管Q4的漏极连接并连接到第四抽头12。

具体地，给第一场效应管Q1的栅极和第四场效应管Q4栅极施加驱动信号时，第一场效应管Q1与第四场效应管Q4导通，此时加在第一场效应管Q1的漏极产生漏极电流向变压器XT21的第三抽头11，通过第三抽头11的漏极电流从第四抽头12流向第四场效应管Q4的漏极，电流由第四场效应管Q4的漏源极流回电池组件的负极。进一步地，给第二场效应管Q2的栅极和第三场效应管Q3栅极施加驱动信号时，第二场效应管Q2与第三场效应管Q3导通，此时加在第一场效应管Q2的漏极产生漏极电流向变压器XT21的第四抽头12，通过第四抽头12的漏极电流从第三抽头11流向第三场效应管Q3的漏极，电流由第三场效应管Q3的漏源极流回电池组件的负极，在变压器XT21的第一绕组侧形成具有固定移相角的电压通过升压后流出第二绕组侧的第一抽头21和第二抽头22。

具体地，当电网电压出现异常需要补偿时，电流从电池组件正负端通过场效应管Q1、Q4或Q2、Q3在变压器XT21的第一绕组侧形成低压直流电压回路，变压器XT21的第二绕组侧形成一个高压直流电压，正电压经过第一IGBT桥臂的第二IGBT Q102，通过第二IGBTQ102的电流流向第一电感器L1、第一电容器C1的正极，经过LC振荡电路滤波后，然后向第二IGBT桥臂的第五IGBT Q201的漏极，负电压从第三IGBT Q103的源极流出，经过第一电容器C1的负极，然后向第二IGBT桥臂第八IGBT Q204的源极，电压在第二IGBT桥臂的两端形成电位差，在第五IGBT Q201和第八IGBT Q204的栅极上施加驱动信号，第二IGBT桥臂导通工作，将两端的高压直流逆变为低频交流电压，交流电正电压从第五IGBT Q201的源极流经第二电感器L2以及第二电容器C2的正极，进行LC滤波，然后流向交流侧正端。交流电负电压从第八IGBT Q204的漏极流经第二电容器C2的负极然后流向交流侧负端，与正端电压形成交流回路，在电网出现异常时，对电网电力补偿，以满足设备仪器的用电需求。

当电池组件的电量过低时，充电电流从交流侧流出，先经过第二电容C2及第二电感L2构成的LC滤波电路，正电压从的另一端流向第五IGBT Q201的源极，负极电流经过第二电容C2负极流向第八IGBT Q204漏极，此时在第五IGBT Q201和第八IGBT Q204的栅极上施加驱动信号，使得第五IGBT Q201和第八IGBT Q204导通，电流从第五IGBT Q201的漏极流出和第八IGBT Q204源极流出，从第五IGBT Q201的漏极流出的电流流向第一电容器C1的正极及第一电感器L1的一端，第一电感器L1的另一端与第二IGBT Q102的漏极连接，第八IGBTQ204源极流出的电流流向第二电容器的负极及第三IGBT Q103的源极，经过LC滤波电路的电流加在第一IGBT桥臂电路逆变及斩波，逆变后的直流电压加在变压器XT21第二绕组两端，经变压器XT21降压后在第一绕组两端形成低压电压，此时在第一场效应管Q1的栅极及第四场效应管Q4的栅极加驱动信号，使得第一场效应管Q1及第四场效应管Q4导通，正电流从第一场效应管Q1的漏极流到电池组件的正极，负电流从第四场效应管Q4的漏极流到电池组件的负极，从而对电池组件进行充电。

上面结合附图对本实用新型的实施例进行了描述，但是本实用新型并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下，在不脱离本实用新型宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本实用新型的保护之内。

Claims (4)

1.一种双向变流装置，其特征在于，主要由第一IGBT桥臂、第二IGBT桥臂及变压器(TX21)组成，所述第一IGBT桥臂具有第一IGBT(Q101)、第二IGBT(Q102)、第三IGBT(Q103)及第四IGBT(Q104)，所述第二IGBT桥臂具有第五IGBT(Q201)、第六IGBT(Q202)、第七IGBT(Q203)及第八IGBT(Q204)；

所述第一IGBT(Q101)与所述第三IGBT(Q103)串联，所述第二IGBT(Q102)与第四IGBT(Q104)串联后再并联在所述第一IGBT(Q101)与所述第三IGBT(Q103)串联后的两端；

所述第五IGBT(Q201)与所述第七IGBT(Q203)串联，所述第六IGBT(Q202)与第八IGBT(Q204)串联后再并联在所述第五IGBT(Q201)与所述第七IGBT(Q203)串联后的两端；

所述第一IGBT(Q101)的集电极、所述第二IGBT(Q102)的集电极、所述第五IGBT(Q201)的集电极及所述第六IGBT(Q202)的集电极共同连接；

所述第三IGBT(Q104)的发射极、所述第四IGBT(Q104)的发射极、所述第七IGBT(Q203)的发射极及所述第八IGBT(Q204)的发射极共同连接；

所述变压器(TX21)具有第一绕组以及第二绕组，所述第二绕组具有至少位于绕组两端的第一抽头(21)、第二抽头(22)；

所述第一抽头(21)连接在所述第二IGBT(Q102)的发射极和所述第四IGBT(Q104)的集电极之间，所述第二抽头(22)连接在所述第一IGBT(Q101)的发射极和所述第三IGBT(Q103)的集电极之间；

在直流转换成交流情况下，所述第二绕组与所述第一IGBT桥臂构成前级升压电路，所述第二IGBT桥臂构成前级逆变输出电路；在交流转换成直流情况下，所述第二绕组与所述第一IGBT桥臂构成后级逆变电路，所述第二IGBT桥臂构成前级输出固定占空比电路。

2.如权利要求1所述的双向变流装置，其特征在于，还包括第一电感器(L1)、第一电容器(C1)，所述第一电感器(L1)的一端与所述第一IGBT(Q101)的集电极和所述第二IGBT(Q102)的集电极共同连接，所述第一电感器(L1)的另一端与所述第一电容器(C1)的正极、所述第五IGBT(Q201)的集电极及所述第六IGBT(Q202)的集电极共同连接；

所述第一电容器(C1)的负极与所述第三IGBT(Q103)的发射极、所述第四IGBT(Q104)的发射极、所述第七IGBT(Q203)的发射极及所述第八IGBT(Q204)的发射极共同连接。

3.如权利要求2所述的双向变流装置，其特征在于，所述变压器(TX21)的所述第一绕组具有第三抽头(11)和第四抽头(12)，在所述变压器(TX21)的第一绕组侧还包括第一场效应管(Q1)、第二场效应管(Q2)、第三场效应管(Q3)、第四场效应管(Q4)以及电池组件，所述第一场效应管(Q1)与所述第三场效应管(Q3)串联，所述第二场效应管(Q2)与所述第四场效应管(Q4)串联后再并联在串联的所述第一场效应管(Q1)、所述第三场效应管(Q3)两端；

所述第一场效应管(Q1)的漏极、所述第二场效应管(Q2)的漏极同时连接所述电池组件的正极，所述第三场效应管(Q3)的源极、所述第四场效应管(Q4)的源极同时连接所述电池组件的负极；

所述第一场效应管(Q1)的源极与所述第三场效应管(Q3)的漏极连接并连接到所述第三抽头(11)，所述第二场效应管(Q2)的源极与所述第四场效应管(Q4)的漏极连接并连接到所述第四抽头(12)。

4.如权利要求1至3中任一项所述的双向变流装置，其特征在于，还包括第二电感器(L2)、第二电容器(C2)，所述第二电感器(L2)的一端连接在所述第五IGBT(Q201)的发射极与所述第七IGBT(Q203)的集电极之间，所述第二电感器(L2)的另一端与所述第二电容器(C2)的正极和交流侧正极共同连接，所述第二电容器(C2)的负极连接在所述第七IGBT(Q203)的发射极和所述第八IGBT(Q204)的集电极以及交流侧负极共同连接。