CN103078525A

CN103078525A - 一种基于交流链接技术的ac-dc变换器

Info

Publication number: CN103078525A
Application number: CN2013100124601A
Authority: CN
Inventors: 张政权; 刘庆想; 李伟; 王庆峰; 杨贺
Original assignee: Southwest Jiaotong University
Current assignee: Southwest Jiaotong University
Priority date: 2013-01-14
Filing date: 2013-01-14
Publication date: 2013-05-01

Abstract

本发明公开了一种基于交流链接技术的AC-DC变换器，属于强电领域。本发明由三相输入滤波器，每一列与三相输入滤波器的每一相相连的开关矩阵，与开关矩阵输出端相连的LCC串并联谐振电路，与LCC串并联谐振电路输出端相连的高频变压器和对升压后的电压进行整流的高频整流器组成。通过上述连接，本发明克服现有技术中的AC-DC变换器元器件较多，降低功率密度且需要使用无源滤波器进行功率因数的校正导致谐波分量较大的缺陷，不仅体积小，电源的功率密度高，同时由于谐波分量较低给电网带来的环境影响小，使整个电网***供电效率更高，适合推广使用。

Description

一种基于交流链接技术的AC-DC变换器

技术领域

本发明涉及一种AC-DC变换器，具体地说，涉及一种基于交流链接技术的AC-DC变换器。

背景技术

在20世纪70年代以前，AC-DC变换器主要使用二极管和晶闸管两种电力电子元器件，由于二极管为不可控器件，而晶闸管为半可控器件，因此这种AC-DC变换器只能工作在工频条件下，并且体积庞大且笨重，会产生低频噪音污染的变压器，因此这种AC-DC变换器装置功率因数过低，需要无源滤波器进行功率因数的校正，这种装置产生低次谐波与基频接近，不仅给负载或电网造成污染，而且滤波器的设计也非常困难。

20世纪80年代出现了以IGBT为代表的第三代复合型场控半导体器件，它们开通和关断均可由控制极控制，工作频率大大提高。AC-DC变换主要采用中间存在直流储能环节（DC-Link）的变换器，首先将工频交流整流成直流，然后将直流逆变成高频的交流，然后再整流成直流。这种拓扑结构可以工作在高频条件下，使得能量变换装置的体积和重量大大降低，输出谐波为高次谐波，易于滤除，其滤波器的体积和重量大大降低，效率大大提高。但是，基于 DC-Link技术的变换器无源元件较多，特别是储能电容，重量和体积占整个变换器很大的比重，降低电源的功率密度，而且为了提高功率因数，在大功率条件下（15kW）需要使用无源滤波器进行功率因数的校正这样产生的谐波分量较大。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的AC-DC变换器元器件较多，降低功率密度且需要使用无源滤波器进行功率因数的校正导致谐波分量较大的缺陷，提供一种基于交流链接技术的AC-DC变换器。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于交流链接技术的AC-DC变换器，由三相输入滤波器，每一列与三相输入滤波器的每一相相连的开关矩阵，与开关矩阵输出端相连的LCC串并联谐振电路，与LCC串并联谐振电路输出端相连的高频变压器和对升压后的电压进行整流的高频整流器组成，其中M为正整数。

为了实现三相输入滤波器的滤波功能，所述三相输入滤波器包括连接在每一相上的三相滤波电感，一端分别与三相滤波电感中一个电感的输出端相连且另一端相互连接形成Y形连接方式的三相滤波电容，其中三相滤波电感的输出端与开关矩阵每一列相连。

作为一种优选，所述开关矩阵为

Figure 2013100124601100002DEST_PATH_IMAGE001

矩阵，共有六个开关，其中三相滤波电感每一相的输出端连接开关矩阵上每一列上两个开关相连的一端，开关的另一端与LCC串并联谐振电路并联。

进一步的，所述开关矩阵中的开关由半导体双向开关组成。

再进一步的，所述LCC串并联谐振电路包括电感和相互串联的电容C2和电容C3，其中电容C2与开关矩阵的一个输出端相连，电感与开关矩阵的另一个输出端相连，且高频变压器与电容C3的输出端并联。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

（1）本发明包括依次连接的三相输入滤波器、开关矩阵、LCC串并联谐振电路、高频变压器和高频整流器，无需储能电容等器件，大大减小了整个AC-DC变换器的体积。

（2）本发明采用

的开关矩阵，与三相输入滤波器相连以实现能量的双向流动，省去中间的直流存储环节，这样便能够提高功率密度了，这也是减少储能电容等器件的根本原因，不仅减小体积、提高效率，同时节约了成本，并且该开关矩阵可根据每一个开关的通断实现三相输入相电压大小的变换，使线电流与线电压增幅呈线性关系且使相位保持一致，这样便可同时保证较高的功率因数和低谐波，提高电源的功率密度，给电网带来的环境影响小，使整个电网***供电效率更高。

（3）本发明LCC串并联谐振电路结构简单，只需两个电容和一个电感即可实现，并通过谐振后由高频变压器升压，这样可与LCC串并联谐振电路配合，使低线电压先工作，高线电压后工作，效率非常高。

附图说明

图1为本发明—实施例中的电路原理框图。

图2为本发明—实施例中半导体双向开关的电气符号图。

图3为本发明—实施例中谐振电流波形图。

图4为本发明—实施例中电容负载电压波形图。

图5为本发明—实施例中开关电流波形图。

图6为本发明—实施例中三相交流相电压和线电流波形图。

图7为本发明—实施例中电压和电流THD图。

图8为本发明—实施例中功率因数测量值图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。

实施例

图1为本发明中的一个具体实施例，本实施例中的AC-DC变换器包括：

（A）三相输入滤波器

该三相输入滤波器包括三个滤波电容C1和三个滤波电感L1，每一个滤波电感L1接串联在每一相输入端上，每个滤波电容C1的一端连接其中一相的滤波电感L1的输出端，三个滤波电容C1的另一端连接在一起，呈Y形连接。

其中L1=100μH，C1=30μF。

（B）开关矩阵

该开关矩阵由开关组成，如图2所示，该开关为半导体双向开关，该开关矩阵为

矩阵，共有2行3列6个半导体双向开关，每一个滤波电感的输出端连接开关矩阵每一列上两个开关相连的一端。该开关矩阵的作用是实现能量的双向流动，并计算每相输出的电荷量，使其与相应的相电压的幅值成正比。

该半导体双向开关即为两支相连的IGBT，分别为T1和T2，由图2可得知，T1和T2的发射极相互连接，并分别通过T1的集电极和T2的集电极形成两端，得到一个双向开关。

（C）LCC串并联谐振电路

该串并联谐振电路包括电容C2、电容C3和电感L2，电容C2的一端与开关矩阵第一行的开关相连，电感L2的一端与开关矩阵第二行的开关相连，电容C3与电容C2的另一端串联，每相输出的电荷量是根据该LCC串并联谐振电路谐振电容和谐振电感的数值计算的，因此，通过开关矩阵调整谐振回路的激励电压。

C2=30μF，C3=0.1uF，L2=100μH。

（D）高频变压器

该高片变压器的输入端与电容C3并联，该高频变压器的变比为1：100，输出连接一个2uF的负载电容器。

（E）高频整流器

该高频整流器为现有仪器，因此不做过多说明。

本发明的工作过程如下：

在每个开关周期内，通过控制开关矩阵，使LCC串并联电路连接不同的输入相，采用瞬时线电压合成调制策略，低线电压先工作，即相电压绝对值最大相和相电压绝对值最小相先工作，然后高线电压工作，即相电压绝对值最大相换流相电压绝对值中间相后工作，从相电压绝对值最小相换流到相电压绝对值中间相的换流时间由以下策略确定：

通过采集三相电压和负载电压的瞬时值，并根据LCC串并联谐振电路谐振电容和谐振电感的数值，计算每相输出的电荷量，使其与相应的相电压的幅值成正比。

与现有技术相比，采用开关矩阵，实现能量的双向流动，可以省去中间的直流存储环节，实现高的功率密度；采用开关矩阵和LCC串联谐振电路，可以使开关工作在软开关条件下，减小损耗，实现高的效率；根据三相输入相电压的大小，通过控制开关矩阵的通断，使线电流幅值与线电压幅值呈线性关系，相位保持一致，可以实现高的功率因数和低谐波，减小对电网和负载的影响。

实验结果分别如图3，图4，图5，图6、图7和图8所示。图3为谐振电流波形和电容负载电压波形，图4为电容负载电压波形，图5为开关换流波形，表明变换器能够实现零电流开关和自然软切换，图6为三相输入线电流波形与相电压波形，线电流能很好的跟随相电压，三相输入线电流和相电压相位保持一致，每相电压和电流总谐波含量（THD）如图7所示，电压THD分别为1.2%，1.4%和1.3%，对应的电流THD为9.5%，9.5%和8.5%，图8为功率因数测量值，在工作时间内平均值为0.99。

按照上述实施例，便可很好地实现本发明。

Claims

1.一种基于交流链接技术的AC-DC变换器，其特征在于，由三相输入滤波器，每一列与三相输入滤波器的每一相相连的的开关矩阵，与开关矩阵输出端相连的LCC串并联谐振电路，与LCC串并联谐振电路输出端相连的高频变压器和对升压后的电压进行整流的高频整流器组成，其中M为正整数。

2.根据权利要求1所述的一种基于交流链接技术的AC-DC变换器，其特征在于，所述三相输入滤波器包括连接在每一相上的三相滤波电感，一端分别与三相滤波电感中一个电感的输出端相连且另一端相互连接形成Y形连接方式的三相滤波电容，其中三相滤波电感的输出端与开关矩阵每一列相连。

3.根据权利要求2所述的一种基于交流链接技术的AC-DC变换器，其特征在于，M=2，所述开关矩阵为

4.根据权利要求3所述的一种基于交流链接技术的AC-DC变换器，其特征在于，所述开关矩阵中的开关由半导体双向开关组成。

5.根据权利要求4所述的一种基于交流链接技术的AC-DC变换器，其特征在于，所述LCC串并联谐振电路包括电感和相互串联的电容C2和电容C3，其中电容C2与开关矩阵的一个输出端相连，电感与开关矩阵的另一个输出端相连，且高频变压器与电容C3并联。