CN211151833U

CN211151833U - 电压源型单有源桥功率电路

Info

Publication number: CN211151833U
Application number: CN201820846266.1U
Authority: CN
Inventors: 袁乐; 蔡子琨; 刘鑫; 王天风; 田书欣; 乔天辰; 唐厚君; 杨喜军
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2018-06-01
Filing date: 2018-06-01
Publication date: 2020-07-31
Anticipated expiration: 2028-06-01

Abstract

本实用新型提供了一种电压源型单有源桥功率电路，包括：整流模块、逆变模块；所述整流模块的输入端连接交流电压源，所述整流模块的输出端与所述逆变模块的输入端连接；其中：所述整流模块将交流电压变换为直流电后，得到正弦半波电压，并传输给所述逆变模块；所述逆变模块将接收到的直流电转换为包络线为双正弦波的高频交流电压。本实用新型整体结构简单，两个电压源型单有源桥功率电路中间采用强耦合变压器和松耦合变压器后，可以应用于固态变压器和无线输电领域，能够实现单向交交功率变换，具有功率密度高等优点。

Description

电压源型单有源桥功率电路

技术领域

本实用新型涉及电力电子技术领域，具体地，涉及电压源型单有源桥功率电路。

背景技术

传统的有线接触充电方式灵活性差、使用不便、安全隐患高，而无线输电方式因具有灵活、方便、安全等优点正在成为一个新的研究热点，并已经出现许多无线输电式产品，比如无线输电式手机和电动汽车等。无线输电技术通过逆变器产生高频电压作为激励，利用磁场进行传播能量，随着该技术的大规模的应用，亟需一种通用性强、高效率、高功率密度的功率模块。

无线输电系统中通常包括前级AC/DC电路，原边DC/AC逆变电路，谐振网络，副边AC/DC电路，副边DC/DC电路。电动汽车最终的负载是电机，因此其副边还需要DC/AC电路。在无线输电系统中，对于原边电力电子功率装置而言，输入是工频交流，输出是高频交流；对于副边电力电子功率装置而言，输入是高频交流，输出是低频交流。因此，原副边都需要进行交交功率变换。采用矩阵变换器能够实现单相交交功率变换。

但是，单体单相矩阵变换器，其结构复杂，很难产品化。目前的无线输电方案中，大多也是采用多个单体功率器件拼接的方式构成一个交交电压源型单有源桥功率电路，该方法对系统设计要求高，不易实现快速系统搭建。

实用新型内容

针对现有技术中的缺陷，本实用新型的目的是提供一种电压源型单有源桥功率电路。

根据本实用新型提供的一种电压源型单有源桥功率电路，包括：整流模块、逆变模块；所述整流模块的输入端连接交流电压源，所述整流模块的输出端与所述逆变模块的输入端连接；其中：

所述整流模块将交流电压变换为直流电后传输给所述逆变模块，所述逆变模块将接收到的直流电转换为交流电压。

可选地，还包括：BOOST电路模块，所述BOOST电路模块的输入端与所述整流模块的输出端连接，所述BOOST电路模块的输出端与所述逆变模块的输入端连接；其中：

所述BOOST电路模块，用于调节所述整流模块输出的直流电的电压，实现功率因数的校正。

可选地，所述整流模块包括：第一功率二极管、第二功率二极管、第三功率二极管、第四功率二极管、第一电容；所述第一功率二极管的正极分别连接交流电压源的一端、第二功率二极管的负极；所述第一功率二极管的负极分别连接所述第三功率二极管的负极、第一电容的一端，并构成所述整流模块的输出端的一端；所述第三功率二极管的正极分别连接交流电压源的另一端、第四功率二极管的负极；所述第二功率二极管的正极分别连接所述第四功率二极管的正极、第一电容的另一端，并构成所述整流模块的输出端的另一端。

可选地，所述逆变模块包括：第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管；所述第一开关管的集电极与所述第三开关管的集电极连接，并构成所述逆变模块的输入端的一端；所述第一开关管的发射极与所述第二开关管的集电极连接，并构成所述逆变模块的输出端的一端；所述第二开关管的发射极与所述第四开关管的发射极连接，并构成所述逆变模块的输入端的另一端；所述第四开关管的集电极与所述第三开关管的发射极连接，并构成所述逆变模块的输出端的另一端。

可选地，所述BOOST电路模块包括：第一电感、第一开关管、第五功率二极管、第一电解电容，所述第一电感的一端构成所述BOOST电路模块的输入端的一端，所述第一电感的另一端分别连接所述第一开关管的集电极、第五功率二极管的正极；所述第五功率二极管的负极与所述第一电解电容的正极连接，并构成所述BOOST 电路模块的输出端的一端；所述第一开关管的发射极、第一电解电容的负极相连并接地；且所述第一开关管的发射极构成所述BOOST电路模块的输入端的另一端，以及所述BOOST电路模块的输出端的另一端。

可选地，所述逆变模块包括：第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管；所述第二开关管的集电极与所述第四开关管的集电极连接，并构成所述逆变模块的输入端的一端；所述第二开关管的发射极与所述第三开关管的集电极连接，并构成所述逆变模块的输出端的一端；所述第三开关管的发射极与所述第五开关管的发射极连接，并构成所述逆变模块的输入端的另一端；所述第五开关管的集电极与所述第四开关管的发射极连接，并构成所述逆变模块的输出端的另一端。

与现有技术相比，本实用新型具有如下的有益效果：

本实用新型提供的电压源型单有源桥功率电路包括：整流模块、逆变模块；所述整流模块的输入端连接交流电压源，所述整流模块的输出端与所述逆变模块的输入端连接；其中：所述整流模块将交流电压变换为直流电后得到正弦半波电压，传输给所述逆变模块，所述逆变模块将接收到的正弦半波电压转换为交流电压包络线为双正弦波形的高频电压或转换为正弦全波电压。本实用新型整体结构简单，可以应用于固态变压器和无线输电领域，能够同时实现单向交交功率变换和无线电能传输，具有功率密度高等优点。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本实用新型的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本实用新型实施例一提供的电压源型单有源桥功率电路的结构示意图；

图2为本实用新型实施例二提供的电压源型单有源桥功率电路的结构示意图；

图3为图1所示电路的应用场景的结构示意图；

图4为图1和图2所示电路的应用场景的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本实用新型，但不以任何形式限制本实用新型。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本实用新型的保护范围。

本实用新型实施例一提供一种电压源型单有源桥功率电路，包括：整流模块、逆变模块；所述整流模块的输入端连接交流电压源，所述整流模块的输出端与所述逆变模块的输入端连接；其中：

图1为本实用新型实施例一提供的电压源型单有源桥功率电路的结构示意图。

如图1所示，本实施例中的整流模块包括：第一功率二极管D1、第二功率二极管D2、第三功率二极管D3、第四功率二极管D4、第一电容C1；所述第一功率二极管D1的正极分别连接交流电压源的一端ACL1、第二功率二极管D2的负极；所述第一功率二极管D1的负极分别连接所述第三功率二极管D3的负极、第一电容 C1的一端，并构成所述整流模块的输出端的一端；所述第三功率二极管D3的正极分别连接交流电压源的另一端ACN1、第四功率二极管D4的负极；所述第二功率二极管D2的正极分别连接所述第四功率二极管D4的正极、第一电容C1的另一端，并构成所述整流模块的输出端的另一端。

本实施例中的逆变模块包括：第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4；所述第一开关管S1的集电极与所述第三开关管S3的集电极连接，并构成所述逆变模块的输入端的一端；所述第一开关管S1的发射极与所述第二开关管S2的集电极连接，并构成所述逆变模块的输出端的一端ACL2；所述第二开关管S2的发射极与所述第四开关管S4的发射极连接，并构成所述逆变模块的输入端的另一端；所述第四开关管S4的集电极与所述第三开关管S3的发射极连接，并构成所述逆变模块的输出端的另一端ACN2。

图2为本实用新型实施例二提供的电压源型单有源桥功率电路的结构示意图。如图2所示，本实施例包括：整流模块、BOOST电路模块、逆变模块，所述BOOST 电路模块的输入端与所述整流模块的输出端连接，所述BOOST电路模块的输出端与所述逆变模块的输入端连接；其中：

本实施例中，所述整流模块包括：包括：第一功率二极管D1、第二功率二极管 D2、第三功率二极管D3、第四功率二极管D4、第一电容C1；所述第一功率二极管 D1的正极分别连接交流电压源的一端ACL1、第二功率二极管D2的负极；所述第一功率二极管D1的负极分别连接所述第三功率二极管D3的负极、第一电容C1的一端，并构成所述整流模块的输出端的一端；所述第三功率二极管D3的正极分别连接交流电压源的另一端ACN1、第四功率二极管D4的负极；所述第二功率二极管D2的正极分别连接所述第四功率二极管D4的正极、第一电容C1的另一端，并构成所述整流模块的输出端的另一端。

本实施例中，所述BOOST电路模块包括：第一电感L1、第一开关管S1、第五功率二极管D5、第一电解电容E1，所述第一电感L1的一端构成所述BOOST电路模块的输入端的一端，所述第一电感L1的另一端分别连接所述第一开关管S1的集电极、第五功率二极管D5的正极；所述第五功率二极管D5的负极与所述第一电解电容E1的正极连接，并构成所述BOOST电路模块的输出端的一端；所述第一开关管S1的发射极、第一电解电容E1的负极相连并接地；且所述第一开关管S1的发射极构成所述BOOST电路模块的输入端的另一端，以及所述BOOST电路模块的输出端的另一端。

本实施例中，所述逆变模块包括：第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管 S4、第五开关管S5；所述第二开关管S2的集电极与所述第四开关管S4的集电极连接，并构成所述逆变模块的输入端的一端；所述第二开关管S2的发射极与所述第三开关管S3的集电极连接，并构成所述逆变模块的输出端的一端ACL2；所述第三开关管S3的发射极与所述第五开关管S5的发射极连接，并构成所述逆变模块的输入端的另一端；所述第五开关管S5的集电极与所述第四开关管S4的发射极连接，并构成所述逆变模块的输出端的另一端ACN2。

具体地，参见图1、图2，本实施例的整流模块中的四个功率二极管(D1～D4) 构成整流桥，用于将交流电压转换为直流电后给第一电容C1进行充电。并通过控制逆变模块中四个开关管(S1～S4或者S2～S5)的导通或截止，实现将第一电容C1 释放的直流电逆变为交流电压，从而实现交交功率变换。图1中的电压源型单有源桥功率电路可以将工频交流电压逆变成高频交流电压，并形成松耦合无线输电变压器的激励源。图2中的电压源型单有源桥功率电路能够将高频交流电压变换为所需要频率的交流输出，并经过输出侧滤波后供给负载使用。进一步地，图2中的电压源型单有源桥功率电路还能够实现副边单位功率因数，并能够将其反射至原边，实现输入侧的单位功率因数。因此，本实用新型可应用于无线输电系统中，并能够同时实现功率因数校正和交交功率变换。

图1所示实施例中，逆变模块中的第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管 S3、第四开关管S4可以采用绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)器件。

图2所示实施例中，BOOST电路模块的第一开关管S1，以及逆变模块中的第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4、第五开关管S5可以采用绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)器件。

需要说明的是，本实用新型不限定上述开关管的具体类型，所有可以实现可控开关的器件均可以实现本实用新型中的功能。

图3为图1所示电路的应用场景的结构示意图；如图3所示，将图1所示电路作为第一单向交交功率模块，则在图3所示的应用场景中包括：一个变压器(T1)，两个第一单向交交功率模块、两个滤波电感(L1、L2)、两个滤波电容(C1、C2)。交流输入源的一端与第一滤波电感L1的一端相连；交流输入源的另一端与第一滤波电容C1 的一端、第一个第一单向交交功率模块的输入侧一端相连；第一滤波电感L1的另一端与第一滤波电容C1的另一端、第一个第一单向交交功率模块的输入侧的另一端相连；第一个第一单向交交功率模块的输出侧一端与变压器T1原边的一端相连；第一个第一单向交交功率模块的输出侧的另一端与变压器T1原边的另一端相连；变压器T1副边的一端与第二个第一单向交交功率模块的输入侧一端相连；变压器 T1副边的另一端与第二个第一单向交交功率模块的输入侧的另一端相连；第二个第一单向交交功率模块的输出侧的一端与第二滤波电感L2的一端相连；第二个第一单向交交功率模块的输出侧的另一端与第二滤波电容C2的一端相连，并构成交流输出的一端；第二滤波电感L2的另一端与第二滤波电容C2的另一端相连，并构成交流输出的另一端。

图4为图1和图2所示电路的应用场景的结构示意图；如图4所示，将图1所示电路作为第一单向交交功率模块，将图2所示电路作为第二单向交交功率模块，则在图4 所示的应用场景中包括：一个变压器(T1)，第一单向交交功率模块、第一单向交交功率模块、两个滤波电感(L1、L2)、两个滤波电容(C1、C2)。交流输入源的一端与第一滤波电感L1的一端相连；交流输入源的另一端与第一滤波电容C1的一端、第一单向交交功率模块的输入侧一端相连；第一滤波电感L1的另一端与第一滤波电容 C1的另一端、第一单向交交功率模块的输入侧的另一端相连；第一单向交交功率模块的输出侧一端与变压器T1原边的一端相连；第一单向交交功率模块的输出侧的另一端与变压器T1原边的另一端相连；变压器T1副边的一端与第二单向交交功率模块的输入侧一端相连；变压器T1副边的另一端与第二单向交交功率模块的输入侧的另一端相连；第二单向交交功率模块的输出侧的一端与第二滤波电感L2的一端相连；第二单向交交功率模块的输出侧的另一端与第二滤波电容C2的一端相连，并构成交流输出的一端；第二滤波电感L2的另一端与第二滤波电容C2的另一端相连，并构成交流输出的另一端。

具体地，以采用IGBT作为开关管器件时，图4中电路的具体实现过程如下：

当单相交流电压源(220V)接通时，四个功率二极管D1—D4构成整流桥，输入侧的滤波电感L1和滤波电容C1对交流电压源进行滤波，第一单向交交功率模块能够将工频交流电压逆变成高频交流电压，并形成变压器的激励源，第二单向交交功率模块能够将高频交流电压变换为所需要频率的交流输出，并经过输出侧滤波后供给负载使用。第二单向交交功率模块能够实现副边的单位功率因数，并能够将其反射至原边，实现输入侧的单位功率因数。

本实用新型可以应用于固态变压器和无线输电领域，能够同时实现单向交交功率变换和无线电能传输，以及网侧单位功率因数，具备结构紧凑、功率密度高等优点。

以上对本实用新型的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本实用新型并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本实用新型的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims

1.一种电压源型单有源桥功率电路，其特征在于，包括：整流模块、逆变模块、BOOST电路模块；所述整流模块的输入端连接交流电压源，所述整流模块的输出端与所述逆变模块的输入端连接；其中：

所述整流模块将交流电压变换为直流电后传输给所述逆变模块，所述逆变模块将接收到的直流电转换为交流电压；所述BOOST电路模块的输入端与所述整流模块的输出端连接，所述BOOST电路模块的输出端与所述逆变模块的输入端连接；其中：

所述BOOST电路模块，用于调节所述整流模块输出的直流电的电压，实现纯阻性的阻抗变换，以使得输入端为单位功率因数；

所述逆变模块包括：第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管；所述第一开关管的集电极与所述第三开关管的集电极连接，并构成所述逆变模块的输入端的一端；所述第一开关管的发射极与所述第二开关管的集电极连接，并构成所述逆变模块的输出端的一端；所述第二开关管的发射极与所述第四开关管的发射极连接，并构成所述逆变模块的输入端的另一端；所述第四开关管的集电极与所述第三开关管的发射极连接，并构成所述逆变模块的输出端的另一端。

2.根据权利要求1所述的电压源型单有源桥功率电路，其特征在于，所述整流模块包括：第一功率二极管、第二功率二极管、第三功率二极管、第四功率二极管、第一电容；所述第一功率二极管的正极分别连接交流电压源的一端、第二功率二极管的负极；所述第一功率二极管的负极分别连接所述第三功率二极管的负极、第一电容的一端，并构成所述整流模块的输出端的一端；所述第三功率二极管的正极分别连接交流电压源的另一端、第四功率二极管的负极；所述第二功率二极管的正极分别连接所述第四功率二极管的正极、第一电容的另一端，并构成所述整流模块的输出端的另一端。

3.根据权利要求1所述的电压源型单有源桥功率电路，其特征在于，所述BOOST电路模块包括：第一电感、第一开关管、第五功率二极管、第一电解电容，所述第一电感的一端构成所述BOOST电路模块的输入端的一端，所述第一电感的另一端分别连接所述第一开关管的集电极、第五功率二极管的正极；所述第五功率二极管的负极与所述第一电解电容的正极连接，并构成所述BOOST电路模块的输出端的一端；所述第一开关管的发射极、第一电解电容的负极相连并接地；且所述第一开关管的发射极构成所述BOOST电路模块的输入端的另一端，以及所述BOOST电路模块的输出端的另一端。

4.根据权利要求3所述的电压源型单有源桥功率电路，其特征在于，所述逆变模块包括：第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管；所述第二开关管的集电极与所述第四开关管的集电极连接，并构成所述逆变模块的输入端的一端；所述第二开关管的发射极与所述第三开关管的集电极连接，并构成所述逆变模块的输出端的一端；所述第三开关管的发射极与所述第五开关管的发射极连接，并构成所述逆变模块的输入端的另一端；所述第五开关管的集电极与所述第四开关管的发射极连接，并构成所述逆变模块的输出端的另一端。