CN102291035A - 交流推挽逆变-矩阵整流的降压电路 - Google Patents

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马红星
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Abstract

本发明公开一种电力电子技术领域的 交流推挽逆变 - 矩阵整流的降压电路 ，包括 高频变换电路和阻抗变换电路，所述的高频变换电路包括依次级联的滤波电路、推挽电路、 初级带中心抽头的变压器 和矩阵变换器；阻抗变换电路为输入端串联升压电感、输出端并联滤波电容的全控型桥式整流电路，桥的两个桥臂的中点分别连接矩阵变换器的两个交流输出端，整流桥的输出端输出直流电压。本发明输出稳定的直流电压，同时产生单位输入功率因数，实现灵活的调压能力和获得线性输入阻抗，克服电源与负载波动相互干扰的不足， 另外支持四象限运行，可将直流电压反馈至交流电网，充分利用负载侧闲置电能， 设计构思新颖、通用性强，同时结构简单、成本低。

Description

交流推挽逆变-矩阵整流的降压电路
技术领域
本发明涉及的是一种电力电子技术领域的AC-DC变换器，具体是一种交流推挽逆变-矩阵整流的降压电路，即用于交流变换的能量双向流动的AC-DC变换器。
背景技术
随着我国智能电网的发展，太阳能发电、风力发电以及小水电等分布式发电***在整个能源结构中的比例逐步上升。分布式电源容量小，分布广，交直流电源兼有，且电源电压或频率具有较大的波动性。而体积小、重量轻、交流推挽逆变-矩阵整流的降压电路可灵活地将各种分布式电源接入电力***，具有良好的应用前景。
能量双向流动的电力电子变压器具体包括两个电压变换环节，一个是高压交流电输入-低压交流电输出环节，另一个是低压交流电压输入-低压直流电压输出环节。
为了完成高压交流电压输入-低压交流电输出环节，可以采用交-交变换器，也可以采用交-直-交两级变换器结构，其中交-直变换器部分可以独立成为产品，输出较低的直流电压，后级可再配置常规的直-交变换器，最终输出低压交流电压。交-交变换器主要有两种类型：直接交-交变换器和间接交-交变换器。直接交-交变换器包括矩阵变换器和周波变换器，间接交-交变换器包括交直交变换器。单相输入的直接交-交变换器的电路简单，控制容易，成本较低，但是其功能受限，调压与变频能力差，低压穿越能力差，输入功率因数低。如果不加以正确处理，工频高压交流电源就会出现功率因数不为1的情况，大量的谐波电流会产生多种危害，为此必须加以处置。三相输入的直接交-交变换器的功能齐全，性能高，但是其电路复杂，控制繁琐，成本高，低压穿越能力差。单相、三相输入的间接交-直-交变换器包括两级结构：前级AC-DC变换器和后级DC-AC变换器，其功能齐全，性能高，低压穿越能力强，但是需要采用初级功率因数校正器来降低网侧谐波电流。
经过对现有适合高压交流电压输入-低压交流或低压直流电压输出应用场合的交交变换器技术的检索发现，“基于单相矩阵变换器的非接触供电***研究”（电力电子技术，2009年第11期43卷）和“基于矩阵变换器拓扑结构的调压器的设计实现”（上海师范大学学报，2009年第1期38卷）中描述的单相-单相交-交变换器的功能和性能较差，输出电压的变频调压能力和输入阻抗呈现非线性，很难推广到三相-单相变换器；中国专利号：02139030.4，专利名称：电力电子变压器，描述的电力电子变压器的拓扑和工作原理都极其复杂，应用难度非常高。
为了完成低压交流电压输入-低压直流电压输出，同时实现阻抗变换，可以采用功率因数校正电路。传统的有源PFC校正器采用不可控整流桥方案，输出电压频率不可调，，不支持能量双向流动。这种方案的局限性使得其无法紧随技术的发展，不能满足智能的要求，必将被淘汰。
综上所述，直接交-交变换器存在控制复杂和输入功率因数低的不足，间接交-交变换器需要输入功率因素校正来降低网侧谐波干扰，均不能适用于高压交流输入-低压交流或低压直流输出地应用场合，传统不可控整流桥PFC校正电路也无法满足功率双向流动的要求。随着实践应用的扩大，设计一种结构简单、功能全面、高输入功率因数，能量双向流动的交-交变换器已成为本领域技术人员的当务之急。
发明内容
本发明针对现有技术的上述不足，提供一种交流推挽逆变-矩阵整流的降压电路，使其实现交流-直流变换，具有线性输入阻抗，解决低压穿越问题，输出直流电压升降可调的功能，支持四象限工作，具有结构简单，控制容易和成本低廉的优点。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：高频变换电路和阻抗变换电路，其中：高频变换电路的输出端与阻抗变换电路的输入端相连。
所述的高频变换电路包括：依次级联的滤波电路、推挽电路、变压器和矩阵变换器。
所述的滤波电路为LC滤波器。
所述的推挽电路的结构为两组共射逆导开关组成的半桥式结构。这两组共射逆导开关的开关信号相位相差180°。推挽电路的输出端与变压器两端相连，所述的逆导开关的基极接受PWM脉冲控制信号。
所述的矩阵变换器的两个桥臂的中点分别通过变压器连接推挽电路的输出端，所述的逆导开关的基极接受PWM脉冲控制信号。
所述的阻抗变换电路为输出端并联滤波电容的全控桥式整流电路，桥的两个桥臂中点分别连接矩阵变换器的两个交流输出端，整流桥的输出端输出直流电压。
本发明通过以下方式进行工作：滤波电路使工频交流输入电流平稳光滑，通过推挽电路使得高压工频交流输入电压变成高压高频交流电压，中间由于推挽电路使用，避免了变压器的励磁饱和，然后经过变压器变压和矩阵变换器输出低压工频交流电压，此过程采用错相180°的高频PWM脉冲控制信号分别驱动矩阵变换器的开关，阻抗变换电路也就是整流器，输入该工频电压信号，输出稳定的直流电压，同时产生单位输入功率因数，反映到整个交流推挽逆变-矩阵整流的降压电路的输入端，呈现单位输入功率因数特征。阻抗变换电路采用输入电流与输出电压双闭环控制、单周期控制等算法，产生合适的PWM脉冲控制信号，驱动整流器的功率开关，获得阻性输入阻抗和稳定直流输出电压，形成交流推挽逆变-矩阵整流的降压电路，为后级的DC-AC变换器供电，从而形成AC-AC变换器。
本发明根据推挽电路可以避免变压器励磁饱和阻抗变换电路能够获得线性阻抗的原理，制定了推挽AC-DC变换器，可以实现灵活的可靠的调压能力和获得线性输入阻抗，克服交-交变换器电源与负载波动相互干扰的不足，适合高压输入-低压输出变换器的各种应用场合。阻抗变换电路设计简单，控制方便，可实现能量双向流动，具有重要的应用价值。本发明能量双向流动的AC-DC变换器具有设计结构新颖、通用性强等特征，同时具有结构简单、成本低等优点。
附图说明
图1为本发明实施例1的电路原理图；
图2为本发明实施例2的电路原理图；
图3为本发明实施例3的电路原理图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种交流推挽逆变-矩阵整流的降压电路，包括：高频变换电路和阻抗变换电路4，其中：高频变换电路的输出端与阻抗变换电路4的输入端相连。
所述的高频变换电路包括：依次级联的滤波电路L1、C1，推挽电路1，变压器2和矩阵变换器3。推挽电路1的输出端通过变压器2，矩阵变换器3与阻抗变换电路4的输入端相连。
所述的变压器为初级带中心抽头的变压器，原边与副边漏感低于10mH。
所述的滤波电路为LC滤波器。
所述的电感L1为铁粉芯材料，高压型，感值为5mH。
所述的电容C1为交流电容，高压型，2.0mF/10kV。
所述的推挽电路1是由两个共射逆导开关BS1、BS2组成的半桥式电路，它们的基极接受PWM脉冲控制信号。
所述的矩阵变换器3是由四个共射极的双向开关BS3、BS4、BS5、BS6组成的桥式电路，每个双向开关由两个共射极的逆导开关组成，该双向开关的基极接受PWM脉冲控制信号。
所述的逆导开关为SiC功率MOSFET 15kV/5A/100°C，共射逆导开关的PWM驱动脉冲的占空比为50%或根据闭环控制结果可调，其中BS1与BS2的驱动信号相位上交错角度180°，开关频率5kHz。
所述的阻抗变换电路4包括：整流电路S1、S2、S3、S4和与之并联的输出电解电容E1，其中整流电路的两个桥臂的中点分别通过矩阵变换器3，变压器2连接推挽电路1的交流输出端，其中左桥臂串联升压电感L2，整流电路的输出端DCP和DCN输出直流电压。
所述的升压电感L2为非晶体材料，采用平面结构，感值为750mH。
所述的整流电路是由四个逆导开关S1、S2、S3、S4组成的整流桥，该逆导开关的基极接受PWM脉冲控制信号。
所述的逆导开关S1、S2、S3、S4为SiC功率MOSFET 15kV/5A/100°C，逆导开关S1和S4驱动脉冲相同，逆导开关S2和S3驱动脉冲相同，驱动脉冲的占空比根据闭环控制结果可调，两组信号相位上交错角度180°，开关频率35kHz。
所述的电解电容E1为铝电解电容 2200mF/450V。
所述的变压器T1为高压型，降压型，变比为15:15:1，采用多个单绕组串联以提升耐压能力。
本实施例中，输入交流电压为6.0kV，输出直流电压为380V，额定输出功率为4kW。所有元器件均采用高精度。
实施例2
如图2所示，本实施例涉及一种组合式线性AC-DC变换装置，由三组相同结构的交流推挽逆变-矩阵整流的降压电路组成，其中每个交流推挽逆变-矩阵整流的降压电路的输入端分别与三相交流电的任意两相相连，该三组交流推挽逆变-矩阵整流的降压电路的输出端并联且输出直流电压。
本实施例能够实现更大的功率输出，同时具有三相线性输入阻抗特性。
实施例3
如图3所示，本实施例涉及一种组合式线性AC-DC变换装置，由三组相同结构的交流推挽逆变-矩阵整流的降压电路组成，该三组交流推挽逆变-矩阵整流的降压电路的输入端串联，输出端串联并输出直流电压。
本实施例能够实现高电压输入和更大的功率输出。
本发明交流推挽逆变-矩阵整流的降压电路采用一种由两个共射逆导开关组成的推挽电路和初级带中心抽头的变压器，实现由高压工频交流电压变换为低压工频电压，再采用阻抗变换电路实现由工频低压交流-低压直流输出，获得稳定的直流电压输出，供后级直流-交流变换器使用，同时具有单位输入功率因数，这种单位输入功率因数又能通过高频变换电路传导到电网，从而获得网侧单位功率因数和无谐波电流污染，另外支持四象限运行，可将负载侧直流电压反馈至交流电网，充分利用负载闲置电能，同时整个电路非常简单，检测电量和被控电量少，控制器设计也并不复杂，已获得仿真分析和实验初步验证。而现有的集中方案的共同不足时：电路级联复杂，控制复杂，可行性较差；缺乏阻抗变换器。不能实现任一负载下的网侧单位功率因数。输入与输出相互干扰；难以构成三相工频高压交流电压-低压直流电压的变换器；不支持能量双向流动，不能满足智能电网的发展要求。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。            

Claims (7)

1.一种交流推挽逆变-矩阵整流的降压电路 ，包括：高频变换电路和阻抗变换电路，其中：高频变换电路的输出端与阻抗变换电路的输入端相连，其特征在于：
所述的高频变换电路包括：依次级联的滤波电路、推挽电路、变压器以及矩阵变换器； 
所述的阻抗变换电路为输入端串联升压电感、输出端并联滤波电容的全控型桥式整流电路，桥的两个桥臂的中点分别连接矩阵变换器的两个交流输出端，整流桥的输出端输出直流电压。
2.根据权利要求1所述的交流推挽逆变-矩阵整流的降压电路 ，其特征是，所述的滤波电路为LC滤波器。
3.根据权利要求1所述的交流推挽逆变-矩阵整流的降压电路 ，其特征是，所述的推挽电路的结构为两组共射逆导开关组成的半桥式结构，两个桥臂的中点分别与变压器两端相连，逆导开关的基极接受PWM脉冲控制信号，信号相位差180°。
4.根据权利要求1所述的交流推挽逆变-矩阵整流的降压电路 ，其特征是，所述的矩阵变换器的结构均为四组共射逆导开关组成的桥式结构，两个桥臂的中点分别连接阻抗变换电路的两个输入端，逆导开关的基极接受PWM脉冲控制信号，对角线上的两组开关驱动信号相同。
5.根据权利要求1所述的交流推挽逆变-矩阵整流的降压电路 ，其特征是，所述的变压器为初级带中心抽头的变压器。
6.一种组合式线性AC-DC变换装置，其特征在于，由三组权利要求1所述的交流推挽逆变-矩阵整流的降压电路 组成，其中：每个交流推挽逆变-矩阵整流的降压电路 的输入端分别与三相交流电的任意两相相连，该三组交流推挽逆变-矩阵整流的降压电路 的输出端并联且输出直流电压。
7.一种组合式线性AC-DC变换装置，其特征在于，由三组权利要求1所述的交流推挽逆变-矩阵整流的降压电路 组成，该三组交流推挽逆变-矩阵整流的降压电路 的输入端串联，输出端串联并输出直流电压。
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