CN217469775U - 一种高频隔离型Buck-Boost AC-AC变换器 - Google Patents

一种高频隔离型Buck-Boost AC-AC变换器 Download PDF

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Abstract

一种高频隔离型Buck‑Boost AC‑AC变换器，包括输入端和输出端，包括两个全桥逆变模块、输入/输出LC滤波器、第一电容c 1、第二电容c 2、高频变压器T 1；所述的输入端，交流电源V in与输入电容器c in并联后与输入电感L in串联;所述的输出端，阻抗负载Z与输出电容器c o并联后与输出电感L o串联；该变换器所用开关较少，换相过程简单，利用MOS管作为开关管和外部快恢复二极管来实现高效率，可以提供相同的非反相和反相降压升压输出电压，可以提供连续的输入和输出电流，在非单位功率因数负载下工作良好。

Description

一种高频隔离型Buck-Boost AC-AC变换器
技术领域
本实用新型属于电力电子技术领域，具体涉及一种高频隔离型Buck-Boost AC-AC变换器。
背景技术
直接AC-AC变换器电路拓扑简单，然而在实际运用时存在由于开关器件短路或者开路引发的换相失败等问题。传统逆变式buck-boost AC-AC变换器可以产生比输入电压更大或更小的输出电压却存在输入、输出电流不连续、开关管所受电压应力较大、电压纹波高等问题。
在传统的单极降压降压、升压和逆变降压升压的AC-AC变换器只能缓解电压的下降和上升，电压转移比较有限，可以对电网的电压起伏提供调节，但是调节的范围较窄，为克服以上限制人们提出了双极AC-AC变换器，这其中大量使用无源器件，不能产生非反相降压输出电压，并且传统的双极AC-AC变换器是非隔离的，因此必须在变换器外围集成隔离级，这样将显著增加变换器的体积和重量，使得变换器在启动时承担更高的启动涌流，造成较高的功率损耗，制约了其应用范围。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本实用新型提供了一种高频隔离型Buck-Boost AC-AC变换器。在保持传统AC-AC变换器的基础上，所提变换器可以提供连续的输入和输出电流，可用于非单位功率因数负载。由于第一电容c 1、第二电容c 2的存在，高频变压器中的磁化电流没有线频分量。此外，该变换器换相简单，可用于动态电压恢复器(DVR)的应用，且不需低频电压注入变压器。
为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种高频隔离型Buck-BoostAC-AC变换器，其特征在于，包括有输入端、输出端、两个全桥逆变模块、输入LC滤波器、输出LC滤波器、第一电容c 1、第二电容c 2、高频变压器T1；
所述的输入端为交流电源V in，交流电源V in与输入电容器c in并联后与输入电感L in串联;所述的输出端带阻抗性负载，电阻负载Z与输出电容器c o并联后与输出电感L o串联；
所述两个全桥逆变模块包括第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂、第四桥臂，其中第一桥臂与第二桥臂并联连接构成第一个逆变模块，第三桥臂与第四桥臂并联连接构成第二个逆变模块；
交流电源V in与输入电感L in串联连接后的支路一端与第一桥臂的中点相连，交流电源V in与输入电感L in串联连接后的支路的另一端与第二桥臂的中点相连；电阻负载Z与输出电感L o串联后的支路一端与第三桥臂的中点相连，电阻负载Z与输出电感L o串联后的支路的另一端与第四桥臂的中点相连；
所述输出LC滤波器包括输出电容器c o与输出电感L o，输出电容器c o与阻抗负载Z并联后与输出电感L o串联；
所述第一电容c 1的一端与第二桥臂的上端点连接，第一电容c 1的另一端与高频变压器T 1的一次侧同名端相连接；第二电容c 2的一端与高频变压器T 1的二次异同名端相连接，第二电容c 2的另一端与第三桥臂的上端点相连接。
所述的第一桥臂包括串联连接的第一开关S 1 和第二开关S 2 ；所述的第二桥臂包括串联连接的第三开关S 3 和第四开关S 4 ；所述的第三桥臂包括串联连接的第五开关S 5 和第六开关S 6 ；所述的第四桥臂包括串联连接的第七开关S 7 和第八开关S 8 。
所述第一电容c 1采用型号为MKT1820547165、耐压值为160V的10uF电容，第二电容和第三电容型号均为B32526Z3686K000、耐压值为500V的68uF电容。
所述的第一开关S 1 、第二开关S 2 、第三开关S 3 、第四开关S 4 、第五开关S 5 、第六开关S 6 、第七开关S 7 、第八开关S 8 均为MOS管开关。
所述的第一开关S 1 、第二开关S 2 、第三开关S 3 、第四开关S 4 、第五开关S 5 、第六开关S 6 、第七开关S 7 、第八开关S 8 均设有并联连接的型号为IDW100E60的快恢复二极管和并联连接的电容。
所述的第一开关S 1 、第二开关S 2 、第三开关S 3 、第四开关S 4 、第五开关S 5 、第六开关S 6 、第七开关S 7 、第八开关S 8 的开关频率均高于其截止频率。
所述高频变压器T1为变比可调的高频变压器。
还包括DSP芯片和PWM驱动器；DSP芯片与PWM驱动器相连；PWM驱动器的与开关管相连。
所述一种高频隔离型Buck-Boost AC-AC变换器，通过DSP芯片和PWM驱动器对开关管的切换使得电路可以实现对交流电的降压操作、升压操作。
本实用新型的有益效果是：
该变换器只用到了8个开关管，具有连续的输入和输出电流，可以在非单位功率因数负载下正常工作。高频变压器的串联电容有效地阻断了充磁电感电流的线频分量，避免了其饱和，降低了高频变压器的设计要求。电容器的电流总是被电感电流限制，减少了开关的电流应力，增大了电路的稳定性。
附图说明
图1是本实用新型的电路图；
图2是本实用新型的八种工作模式1的等效电路图；
图3是本实用新型的八种工作模式2的等效电路图；
图4是本实用新型的八种工作模式3的等效电路图；
图5是本实用新型的八种工作模式4的等效电路图；
图6是本实用新型的八种工作模式5的等效电路图；
图7是本实用新型的八种工作模式6的等效电路图；
图8是本实用新型的八种工作模式7的等效电路图；
图9是本实用新型的八种工作模式8的等效电路图；
图10是本实用新型的八种工作模式9的等效电路图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体的实施例对本实用新型作进一步详细说明。显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
需要说明的是，本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本实用新型的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、产品或设备固有的其它步骤或单元。
本实用新型实施例提供了一种高频隔离型Buck-Boost AC-AC变换器，可提供连续的输入和输出电流，变换器的负载可以为非单位功率因数负载。参见图1，一种高频隔离型Buck-Boost AC-AC变换器，包括有输入端和输出端，包括两个全桥逆变模块、输入/输出LC滤波器、第一电容c 1、第二电容c 2、高频变压器T1。
具体地，所述的输入端，交流电源V in与输入电容器c in并联后与输入电感L in串联;所述的输出端，电阻负载Z与输出电容器c o并联后与输出电感L o串联。
具体地，所述两个全桥逆变模块包括第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂、第四桥臂，其中第一桥臂与第二桥臂并联连接构成第一个逆变模块，第三桥臂与第四桥臂并联连接构成第二个逆变模块。
具体地，交流电源V in与输入电感L in串联连接后的支路一端与第一桥臂的中点相连，交流电源V in与输入电感L in串联连接后的支路的另一端与第二桥臂的中点相连；电阻负载Z与与输出电感L o串联串联后的支路一端与第三桥臂的中点相连，电阻负载Z与与输出电感L o串联串联后的支路的另一端与第四桥臂的中点相连。
具体地，所述输出LC滤波器包括输出电容器c o与输出电感L o，输出电容器c o与电阻负载Z并联后与输出电感L o串联。
具体地，所述第一电容c 1的一端与第二桥臂的上端点连接，第一电容c 1的另一端与高频变压器T 1的一次侧同名端相连接；第二电容c 2的一端与高频变压器T 1的二次异同名端相连接，第二电容c 2的另一端与第三桥臂的上端点相连接。
具体地，所述的第一桥臂包括串联连接的第一开关S 1 和第二开关S 2 ；所述的第二桥臂包括串联连接的第三开关S 3 和第四开关S 4 ；所述的第三桥臂包括串联连接的第五开关S 5 和第六开关S 6 ；所述的第四桥臂包括串联连接的第七开关S 7 和第八开关S 8 。
优选地，所述第一电容型号采用MKT1820547165耐压值160V的10uF的电容，第二电容和第三电容型号均为B32526Z3686K000耐压值500V的68uF的电容。
优选地，所述的第一开关S 1 、第二开关S 2 、第三开关S 3 、第四开关S 4 、第五开关S 5 、第六开关S 6 、第七开关S 7 、第八开关S 8 均为MOS管开关。
优选地，所述的第一开关S 1 、第二开关S 2 、第三开关S 3 、第四开关S 4 、第五开关S 5 、第六开关S 6 、第七开关S 7 、第八开关S 8 均设有并联连接的型号为IDW100E60的快恢复二极管和并联连接的电容。
可以理解的是采用反向恢复特性好、正向压降小的快恢复二极管为电感电流提供通路，减少电流的反向恢复问题和能量损失，可以使得开关管在更高的频率运行。
优选地，所述所述的第一开关S 1 、第二开关S 2 、第三开关S 3 、第四开关S 4 、第五开关S 5 、第六开关S 6 、第七开关S 7 、第八开关S 8 的开关频率均高于其截止频率。
具体地，高频变压器的变比可调。
所述一种高频隔离型Buck-Boost AC-AC变换器，通过DSP芯片和PWM驱动器对开关管的切换使得电路可以实现对交流电的降压操作、升压操作。
可以理解的是在提出的单相对称双极型高频隔离的BUCK-BOOST AC-AC变换器中，输入电感L in和由第一桥臂、第二桥臂并联而成的逆变模块将输入电压升压，并通过逆变模块将其转换为高频脉动整流正弦电压。高频变压器T 1一次侧与第一电容c 1串联连接断，可以阻断高频变压器T 1的工频分量，高频脉动整流正弦电压的高频交流分量V 1施加在高频变压器T 1的一次绕组w1上。相同频率的高频交流分量传输到高频变压器T 1二次绕组w2，在二次绕组w2中与第二电容C2的电压相结合，为由第三桥臂、第四桥臂并联而成二次逆变模块提供高频脉动整流正弦电压V 2，其中第二电容c 2用作工频电压恢复器。
第一桥臂、第二桥臂与输出滤波器一起完成电压降压、电压极性成形和对电压进行滤波等功能，供给负载Z上平滑的非反相/反相交流电压V o。
具体地，所提出的一种高频隔离型Buck-Boost AC-AC变换器通过DSP芯片和PWM驱动器对开关管通断的控制使得电路工作在非逆变buck-boost电压操作、反向buck-boost电压操作下，具体包括九种工作模式。
参见图2～10，本实施例的Buck-Boost AC-AC变换器包括八个工作模式。
模式1: 电阻负载非逆变buck-boost 电压操作模式I，输出电压V o、输出电流i o 都大于零。该模式下第一开关S 1 、第三开关S 3 、第四开关S 4 、第五开关S 5 、第八开关S 8 都开通，输入电感L in 储存交流电源V in 的能量，流过输入电感L in 的电流i Lin 线性增加，对第一电容c 1、第二电容c 2进行充电，并将一部分能量储存在输出电感L o ，一部分被负载Z消耗。流过输入电感L in 的电流i Lin 通过第一开关S 1 、第三开关S 3 、交流电源V in 、输入电感L in 串联而成的回路流动。模式1电路如图2所示。
模式2: 电阻负载非逆变buck-boost电压操作模式II，输出电压V o、输出电流i o 都大于零。该模式下第六开关S 6 、第七开关S 7 都开通，其余开关全都关断，变压器二次侧电流的流动回路为第二电容c 2、第五开关S 5 、输出电感L o 、电阻负载Z、第八开关S 8 、变压器二次侧串联而成的回路。由于第一电容c 1和第二电容c 2的钳位作用高频变压器T 1 的一次侧电流二次侧电流都为i Lo 。模式2电路如图3所示。
模式3: 电阻负载非逆变buck-boost电压操作模式III，输出电压V o、输出电流i o 都大于零。该模式下，第二开关S 2 、第三开关S 3 关断，其余开关管全都导通，输入电感L in储存的能量释放到第一电容c 1、第二电容c 2,对第一电容c 1、第二电容c 2进行充电，流过输入电感L in的电流i Lin 线性减少，流过输出电感L o 的电流i Lo 线性减少，为电阻负载Z提供能量。整个工作过程简单且安全，输入电感电流i Lin 和输出电感电流i Lo 具有自然流动路径通过了开关管的主体二极管，减轻了电路的换相压力。模式3电路如图4所示。
模式4: 电阻负载非逆变buck-boost电压操作模式下输出电压V o大于零，输出电流i o 都小于零的第一种情况。该模式下，第一开关S 1 、第二开关S 2 、第三开关S 3 、第四开关S 4 、第五开关S 5 、第八开关S 8 都开通，第六开关S 6 、第七开关S 7 关断。此操作发生在电阻负载Z为无功负载时，负载电流流动方向为由负载到交流电源。模式4电路如图5所示。
模式5：电阻负载非逆变buck-boost电压操作模式下输出电压V o大于零，输出电流i o 小于零的第二种情况。该模式下，第一开关S 1 、第四开关S 4 、第五开关S 5 、第六开关S 6 、第七开关S 7 、第八开关S 8 都开通。此操作发生在负载Z为无功负载时，输出电感L o 储存的能量通过两个回路向负载Z释放，其中一个回路分别为第五开关S 5 、第七开关S 7 与负载Z组成的回路，另一个回路为第六开关S 6 、第八开关S 8 、负载Z组成的回路。模式5电路如图6所示。
模式6：反向buck-boost 电压操作模式下，输出电压V o、输出电流i o 都小于零的第一种情况。该模式下，第一开关S 1 、第二开关S 2 、第三开关S 3 、第四开关S 4 、第六开关S 6 、第七开关S 7 都开通，第五开关S 5 、第八开关S 8 关断。交流电源V in为输入电感L in提供能量，流过输入电感L in的电流i Lin 线性增加，此时高频变压器T 1 的一次侧电流和二次侧电流被第一电容c 1、第二电容c 2钳位到流过输出电感的电流i Lin 。模式6电路如图7所示。
模式7：反向buck-boost 电压操作模式下，输出电压V o、输出电流i o 都小于零的第二种情况。该模式下，第二开关S 2 、第三开关S 3 关断，第五开关S 5 、第八开关S 8 开通，输入电感L in储存的能量对第一电容c 1和第二电容c 2进行充电,输出电感L o储存的能量提供给电阻负载Z，流过输入电感的电流和流过输出电感的电流都线性减少，高频变压器T 1 和二次侧的电流分别被第一电容、第二电容钳位到流过输入电感的电流i Lin 。模式7电路如图8所示。
模式8：反向buck-boost 电压操作模式下，输出电压V o小于零，输出电流i o 大于零的第三种情况，该模式下，第一开关S 1 、第二开关S 2 、第三开关S 3 、第四开关S 4 、第六开关S 6 、第七开关S 7 都开通，第五开关S 5 、第八开关S 8 关断。模式8开关管的通断与模式6完全相同，此时电阻负载Z为非单位功率因数负载，此模式下负载电流反转，输入电感电流反向。模式8电路如图9所示。
模式9：反向buck-boost 电压操作模式下，输出电压V o小于零，输出电流i o 大于零的第三种情况，该模式下，该模式下，第二开关S 2 、第三开关S 3 关断，第五开关S 5 、第八开关S 8 开通，模式9开关管的通断与模式7完全相同，此时电阻负载Z为非单位功率因数负载，此模式下负载电流反转，输出负载电流反向。模式9电路如图10所示。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种高频隔离型Buck-Boost AC-AC变换器，其特征在于，包括有输入端、输出端、两个全桥逆变模块、输入LC滤波器、输出LC滤波器、第一电容c 1、第二电容c 2、高频变压器T1；
所述的输入端为交流电源V in，交流电源V in与输入电容器c in并联后与输入电感L in串联;所述的输出端带阻抗性负载，电阻负载Z与输出电容器c o并联后与输出电感L o串联；
所述两个全桥逆变模块包括第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂、第四桥臂，其中第一桥臂与第二桥臂并联连接构成第一个逆变模块，第三桥臂与第四桥臂并联连接构成第二个逆变模块；
交流电源V in与输入电感L in串联连接后的支路一端与第一桥臂的中点相连，交流电源V in与输入电感L in串联连接后的支路的另一端与第二桥臂的中点相连；电阻负载Z与输出电感L o串联后的支路一端与第三桥臂的中点相连，电阻负载Z与输出电感L o串联后的支路的另一端与第四桥臂的中点相连；
所述输出LC滤波器包括输出电容器c o与输出电感L o，输出电容器c o与阻抗负载Z并联后与输出电感L o串联；
所述第一电容c 1的一端与第二桥臂的上端点连接，第一电容c 1的另一端与高频变压器T 1的一次侧同名端相连接；第二电容c 2的一端与高频变压器T 1的二次异同名端相连接，第二电容c 2的另一端与第三桥臂的上端点相连接。
2.根据权利要求1所述的一种高频隔离型Buck-Boost AC-AC变换器，其特征在于，所述的第一桥臂包括串联连接的第一开关S 1 和第二开关S 2 ；所述的第二桥臂包括串联连接的第三开关S 3 和第四开关S 4 ；所述的第三桥臂包括串联连接的第五开关S 5 和第六开关S 6 ；所述的第四桥臂包括串联连接的第七开关S 7 和第八开关S 8 。
3.根据权利要求1所述的一种高频隔离型Buck-Boost AC-AC变换器，其特征在于，所述第一电容c 1采用型号为MKT1820547165、耐压值为160V的10uF电容，第二电容和第三电容型号均为B32526Z3686K000、耐压值为500V的68uF电容。
4.根据权利要求2所述的一种高频隔离型Buck-Boost AC-AC变换器，其特征在于，所述的第一开关S 1 、第二开关S 2 、第三开关S 3 、第四开关S 4 、第五开关S 5 、第六开关S 6 、第七开关S 7 、第八开关S 8 均为MOS管开关。
5.根据权利要求4所述的一种高频隔离型Buck-Boost AC-AC变换器，其特征在于，所述的第一开关S 1 、第二开关S 2 、第三开关S 3 、第四开关S 4 、第五开关S 5 、第六开关S 6 、第七开关S 7 、第八开关S 8 均设有并联连接的型号为IDW100E60的快恢复二极管和并联连接的电容。
6.根据权利要求4所述的一种高频隔离型Buck-Boost AC-AC变换器，其特征在于，所述的第一开关S 1 、第二开关S 2 、第三开关S 3 、第四开关S 4 、第五开关S 5 、第六开关S 6 、第七开关S 7 、第八开关S 8 的开关频率均高于其截止频率。
7.根据权利要求1所述的一种高频隔离型Buck-Boost AC-AC变换器，其特征在于，所述高频变压器T1为变比可调的高频变压器。
8.根据权利要求1所述一种高频隔离型Buck-Boost AC-AC变换器，其特征在于，还包括DSP芯片和PWM驱动器；DSP芯片与PWM驱动器相连；PWM驱动器的与开关管相连。
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