CN103812352B - 一种桥式交流斩波功率变换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种桥式交流斩波功率变换器，包括交流电源（6）和负载（7），还包括：功率变换主电路模块（1）、光耦隔离模块（2）、控制信号发生模块（3）、检测模块(4)和辅助电源模块(5)。本发明无需单独的驱动模块，简化了电路的设计；受线路分布参数影响较小，开关器件与驱动电路一致性好，成本较低，易于工程实现；不需要使用大容量的电容，电感等储能元件；直接产生四路PWM控制信号，无需使用时序互锁等专用电路；具有过流保护功能，能够保证装置安全可靠工作；消除输出电压失控区间，不需使用电流极性检测环节；能够使用桥式功率模块实现交流斩波控制功能。

Description

一种桥式交流斩波功率变换器

技术领域

本发明涉及的是电力电子技术领域，具体是一种桥式交流斩波功率变换器。

背景技术

AC/AC变换作为电力电子技术领域重要组成部分，近年来得到大量研究。交流斩波功率变换器利用PWM控制双向电力电子开关调节交流电压。斩波变换器输出电压稳定，谐波含量低，克服传统电压调节器响应速度慢、对电网污染严重的缺点，广泛应用于电力电子变压器、动态电压调节器、电力***稳定控制、动态无功补偿等领域。

目前交流斩波功率变换器的双向开关是由单向全控器件组合而成。采用多个单管进行组合，模块间连线较多，线路寄生参数影响换流过程。

经对现有文献检索发现，中国专利公开号为CN101707479A，专利名称为：桥式双向电子开关及用它构成的交流斩波器主电路，该申请案采用单管全控型开关器件与快恢复二极管整流桥并联组成的双向开关，但是该方法换流过程复杂，在高频开关情况下，功率损耗大，换流过程中的浪涌电流容易损坏快恢复二极管，寿命较短。

经对现有文献检索发现，中国专利公开号为CN101588132A，专利名称为：一种交流斩波器及其斩波方法，该方案由全控型开关器件反向串联组成双向开关，需要设计隔离的驱动电路。对于单相电路，反向串联结构的斩波拓扑需要设计四路驱动电路，三相电路中的驱动电路设计将更为复杂。

发明内容

本发明要解决是双向全控电力电子开关结构复杂，换流过程繁琐，在高频开关情况下，功率损耗大，换流过程中的浪涌电流容易损坏快恢复二极管，寿命较短和驱动电路设计复杂等技术问题，提供一种桥式交流斩波功率变换器。

为解决上述现有技术的不足，本发明采用的技术方案如下：

一种桥式交流斩波功率变换器，包括交流电源和负载，还包括：功率变换主电路模块、光耦隔离模块、控制信号发生模块、检测模块和辅助电源模块，所述交流电源分别与功率变换主电路模块和辅助电源模块相连，所述功率变换主电路模块与负载和光耦隔离模块相连，所述光耦隔离模块与控制信号发生模块相连，所述检测模块与功率变换主电路模块、负载和控制信号发生模块相连，辅助电源模块分别与功率变换主电路模块、控制信号发生模块、光耦隔离模块和检测模块相连；

所述功率变换主电路模块包括 ：输入滤波电感、输入滤波电容、第一半桥功率模块、第二半桥功率模块、输出滤波电感和输出滤波电容，其中 ：输入滤波电感的一端作为功率变换主电路模块一个输入端口，输入滤波电感的另一端和输入滤波电容的一端均与第一半桥功率模块的第一集电极相连，输入滤波电容的另一端与第二半桥功率模块的第一集电极相连作为功率变换主电路模块的另一个输入端口，该输入端与交流电源和辅助电源模块相连，第一半桥功率模块的发射极与第二半桥功率模块的发射极相连，第一半桥功率模块的第二集电极极与输出滤波电感的一端相连，输出滤波电感的另一端与输出滤波电容的一端相连作为功率变换主电路模块的一个输出端口，第二半桥功率模块的第二集电极与输出滤波电容的另一端相连作为功率变换主电路模块的另一个输出端口，该输出端与检测模块和负载相连；第一半桥功率模块的第一栅极和第二栅极、第二半桥功率模块的第一栅极和第二栅极与光耦隔离模块相连传输PWM 信号；

所述的检测模块包括 ：两个电压互感器、电流互感器和信号调理电路，其中：两个电压互感器分别与功率变换主电路模块 的输出端和负载相连，传输功率变换主电路模块的输出电压和负载电压信号，电流互感器与负载相连传输电流信号，信号调理电路的输入端分别与电压互感器和电流互感器相连传输功率变换主电路模块的输出电压、负载的电压和电流信号；

当交流电源电压大于零时，第三开关、第四开关 处于常通状态，第一开关、第二开关受互补的PWM信号控制；在负载的电压大于零，电流小于零的情况下，当第一开关导通时，第二开关关断，负载的电流通过第三开关、第一续流二极管向交流电源反馈无功能量，变换器工作在有源模式；当第一开关关断时，第二开关 导通，负载的电流通过第二开关、第四续流二极管续流，变换器工作在续流模式；为防止第一开关、第二开关共同导通，对互补PWM控制信号中加入死区时间；死区时间内第一开关、第二开关都处于关断状态，负载的电流通过第三开关、第一续流二极管向交流电源反馈无功能量；在负载的电压大于零，电流大于零的情况下，当第一开关导通时，第二开关关断，交流电源通过第一开关、第三续流二极管向负载提供电能，变换器工作在有源模式；当第一开关关断时，第二开关导通，负载的电流通过第四开关、第二续流二极管续流，变换器工作在续流模式；为防止第一开关、第二开关共同导通，对互补PWM控制信号中加入死区时间；死区时间内第一开关 、第二开关都处于关断状态，负载的电流通过第四开关、第二续流二极管续流，变换器工作在死区模式；

当交流电源电压小于零时，第一开关、第二开关处于常通状态，第三开关、第四开关受互补的PWM信号控制；在负载的电压小于零，电流大于零的情况下，当第三开关导通时，第四开关关断，交流电源通过第一开关 、第三续流二极管向负载提供电能，变换器工作在有源模式 ；当第三开关关断时，第四开关导通，负载的电流通过第四开关、第二续流二极管续流，变换器工作在续流模式；为防止第三开关、第四开关共同导通，对互补PWM控制信号中加入死区时间；死区时间内第三开关、第四开关都处于关断状态，交流电源通过第一开关、第三续流二极管 向负载提供电能。在负载的电压小于零，电流小于零的情况下，当第三开关导通时，第四开关关断，负载通过第三开关、第一续流二极管向交流电源反馈无功能量，变换器工作在有源模式；当第三开关关断时，第四开关导通，负载的电流通过第二开关、第四续流二极管续流，变换器工作在续流模式；为防止第三开关、第四开关共同导通，对互补PWM控制信号中加入死区时间；死区时间内第三开关、第四开关都处于关断状态，负载的电流通过第二开关、第四续流二极管续流，变换器工作在死区模式。

所述第一半桥功率模块和第二半桥功率模块为智能功率模块 IPM。

第一光耦隔离电路、第二光耦隔离电路，第三光耦隔离电路、第四光耦隔离电路 ；其中 ：光耦隔离电路与相应的半桥功率模块相连传输PWM信号 ；光耦隔离模块接收辅助电源模块提供的直流电，传输控制信号发生模块发出的PWM控制信号。

所述的控制信号发生模块是数字信号处理器、微控制器和复杂可编程逻辑器中的一种。

本发明设计了桥式功率模块新颖的接线方式和功率流向并提出一种非互补换流控制策略。设计有源、续流、死区三种工作模式以及多种性质负载条件下的换流路径，消除输出电压失控区间，不需使用电流极性检测环节，无需单独的驱动模块，简化了电路的设计；受线路分布参数影响较小，开关器件与驱动电路一致性好，成本较低，易于工程实现；不需要使用大容量的电容，电感等储能元件；直接产生四路PWM控制信号，无需使用时序互锁等专用电路；具有过流保护功能，能够保证装置安全可靠工作。

附图说明

图1是本发明的结构框图。

图2是功率变换主电路模块的电路原理图。

图3是功率变换主电路模块中的四个开关的控制信号时序图。

具体实施方式

下面结合附图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。

图1为一种桥式交流斩波功率变换器的结构框图，它包括功率变换主电路模块1、光耦隔离模块2、控制信号发生模块3、检测模块4、辅助电源模块5、交流电源6和负载7，其中：交流电源6为功率变换主电路模块1和辅助电源模块5提供交流电，功率变换主电路模块1与负载7相连，功率变换主电路模块1与光耦隔离模块2相连防止信号干扰并进行信号放大，光耦隔离模块2与控制信号发生模块3相连传输PWM控制信号，检测模块4与功率变换主电路模块1相连传输电压信号，检测模块4与负载7相连传输电压、电流信号，检测模块4与控制信号发生模块3相连传输调理检测信号，辅助电源模块5为功率变换主电路模块1、控制信号发生模块3、光耦隔离模块2和检测模块4提供直流电。

图2为本发明中功率变换主电路模块的电路原理图，所述的功率变换主电路模块1包括：输入滤波电感Li、输入滤波电容Ci、第一半桥功率模块IPM1、第二半桥功率模块IPM2、输出滤波电感L和输出滤波电容C，其中：输入滤波电感Li的一端作为功率变换主电路模块1一个输入端口，输入滤波电感Li的另一端和输入滤波电容Ci的一端均与第一半桥功率模块IPM1的第一集电极C1相连，输入滤波电容Ci的另一端与第二半桥功率模块IPM2的第一集电极C1相连作为功率变换主电路模块1的另一个输入端口，该输入端与交流电源6和辅助电源模块5相连，第一半桥功率模块IPM1 的发射极E2与第二半桥功率模块IPM2的发射极E2相连，第一半桥功率模块IPM1的第二集电极C2与输出滤波电感L的一端相连，输出滤波电感L的另一端与输出滤波电容C的一端相连作为功率变换主电路1的一个输出端口，第二半桥功率模块IPM2的第二集电极C2与输出滤波电容C的另一端相连作为功率变换主电路1的另一个输出端口，该输出端与负载7和检测模块4相连；第一半桥功率模块IPM1的第一栅极G1和第二栅极G2、第二半桥功率模块IPM2第一栅极G3和第二栅极G4极与光耦隔离模块2相连传输PWM信号。

在本实施例中，输入滤波电感Li的电感值为200微亨，输入滤波电容Ci的电容值为1微法，输出滤波电感L的电感值为1毫亨，输出滤波电容C的电容值为20微法。半桥功率模块是三菱公司的型号为PM400DV1A060的IPM，该智能功率模块集成了IGBT、二极管、驱动电路、辅助器件和保护电路。额定电压为600V，额定电流为400A。

所述的光耦隔离模块2是Avago公司的HCPL-4504芯片，包括：第一光耦隔离电路、第二光耦隔离电路，第三光耦隔离电路、第四光耦隔离电路；其中：每路光耦隔离电路与相应的半桥功率模块相连传输PWM信号；光耦隔离模块2接收辅助电源模块5提供的直流电，传输控制信号发生模块3发出的PWM控制信号。

所述的控制信号发生模块3是微控制器DSPIC30F4011，该微控制器可产生占空比可调的25千赫兹-60千赫兹范围的高频脉宽可调控制信号，通过光耦隔离模块2控制功率变换主电路模块1中半桥功率模块开关管的通断，从而实现调压功能；当电感电流超过安全值时，微控制器封锁控制信号输出，实现过流保护功能。

本实施例中的控制信号发生模块3还可为数字信号处理器和复杂可编程逻辑器。

所述的检测模块4，包括两个电压互感器LEM-LV28、电流互感器LEM-LA28和信号调理电路，其中：两个电压互感器分别与功率变换主电路模块1的输出端和负载7相连，传输功率变换主电路模块1的输出电压和负载7电压信号，电流互感器与负载7相连传输电流信号，信号调理电路的输入端分别与电压互感器和电流互感器相连传输功率变换主电路模块1的输出电压、负载7的输出电压和电流信号。

工作过程如下：交流电源6分别为功率变换主电路模块1和辅助电源模块5提供交流电，辅助电源模块5为功率变换主电路模块1、光耦隔离模块2、控制信号发生模块3和检测模块4提供直流电，检测模块4检测交流电源6和负载7的电压、负载7电流信号，检测到的信号传递给控制信号发生模块3，控制信号发生模块3输出PWM控制信号给光耦隔离模块2，当负载电流超过安全值时，控制器信号发生模块3封锁PWM控制信号，保护功率变换主电路模块1安全；当负载电流小于或者等于安全值时，控制信号发生模块3向光耦隔离模块2发出PWM控制信号，光耦隔离模块2向功率变换主电路模块1传输经过隔离的PWM控制信号，控制功率变换主电路模块1的工作。

图3为功率变换主电路模块中的四个开关的控制信号时序图，其中第一开关S1、第二开关S2、第一续流二极管VD1和第二续流二极管VD2为第一半桥功率模块IPM1中的器件；第三开关S3、第四开关S4、第三续流二极管VD3和第四续流二极管VD4为第二半桥功率模块IPM2中的器件。

当交流电源6电压大于零时，第三开关S3、第四开关S4处于常通状态，第一开关S1、第二开关S2受互补的PWM信号控制。在负载7的电压大于零，电流小于零的情况下，当第一开关S1导通时，第二开关S2关断，负载7的电流通过第三开关S3、第一续流二极管VD1向交流电源6反馈无功能量，变换器工作在有源模式；当第一开关S1关断时，第二开关S2导通，负载7的电流通过第二开关S2、第四续流二极管VD4续流，变换器工作在续流模式。为防止第一开关S1、第二开关S2共同导通，对互补PWM控制信号中加入死区时间。死区时间内第一开关S1、第二开关S2都处于关断状态，负载7的电流通过第三开关S3、第一续流二极管VD1向交流电源6反馈无功能量。在负载7的电压大于零，电流大于零的情况下，当第一开关S1导通时，第二开关S2关断，交流电源6通过第一开关S1、第三续流二极管VD3向负载7提供电能，变换器工作在有源模式。当第一开关S1关断时，第二开关S2导通，负载7的电流通过第四开关S4、第二续流二极管VD2续流，变换器工作在续流模式。为防止第一开关S1、第二开关S2共同导通，对互补PWM控制信号中加入死区时间。死区时间内第一开关S1、第二开关S2都处于关断状态，负载7的电流通过第四开关S4、第二续流二极管VD2续流，变换器工作在死区模式。

当交流电源6电压小于零时，第一开关S1、第二开关S2处于常通状态，第三开关S3、第四开关S4受互补的PWM信号控制。在负载7的电压小于零，电流大于零的情况下，当第三开关S3导通时，第四开关S4关断，交流电源6通过第一开关S1、第三续流二极管VD3向负载7提供电能，变换器工作在有源模式；当第三开关S3关断时，第四开关S4导通，负载7的电流通过第四开关S4、第二续流二极管VD2续流，变换器工作在续流模式。为防止第三开关S3、第四开关S4共同导通，对互补PWM控制信号中加入死区时间。死区时间内第三开关S3、第四开关S4都处于关断状态，交流电源6通过第一开关S1、第三续流二极管VD3向负载7提供电能。在负载7的电压小于零，电流小于零的情况下，当第三开关S3导通时，第四开关S4关断，负载7通过第三开关S3、第一续流二极管VD1向交流电源6反馈无功能量，变换器工作在有源模式。当第三开关S3关断时，第四开关S4导通，负载7的电流通过第二开关S2、第四续流二极管VD4续流，变换器工作在续流模式。为防止第三开关S3、第四开关S4共同导通，对互补PWM控制信号中加入死区时间。死区时间内第三开关S3、第四开关S4都处于关断状态，负载7的电流通过第二开关S2、第四续流二极管VD4续流，变换器工作在死区模式。

通过改变脉冲宽度进行电压调节，经过输出滤波电感L、输出滤波电容C后得到幅度可调的交流电压。

Claims (4)

1.一种桥式交流斩波功率变换器，包括交流电源（6）和负载（7），其特征在于 ：还包括 ：功率变换主电路模块（1）、光耦隔离模块（2）、控制信号发生模块（3）、检测模块 (4) 和辅助电源模块 (5)，所述交流电源 (6) 分别与功率变换主电路模块 (1) 和辅助电源模块 (5) 相连，所述功率变换主电路模块(1)与负载(7)和光耦隔离模块(2)相连，所述光耦隔离模块(2)与控制信号发生模块(3)相连，所述检测模块(4)与功率变换主电路模块(1)、负载(7)和控制信号发生模块(3)相连，辅助电源模块(5)分别与功率变换主电路模块(1)、控制信号发生模块 (3)、光耦隔离模块 (2) 和检测模块 (4) 相连；

   所述功率变换主电路模块(1)包括 ：输入滤波电感（Li）、输入滤波电容（Ci）、第一半桥功率模块（IPM1）、第二半桥功率模块（IPM2）、输出滤波电感（ L） 和输出滤波电容（ C），其中 ：输入滤波电感 （Li ）的一端作为功率变换主电路模块 (1) 一个输入端口，输入滤波电感（ Li ）的另一端和输入滤波电容（ Ci） 的一端均与第一半桥功率模块（IPM1）的第一集电极（C1）相连，输入滤波电容（Ci）的另一端与第二半桥功率模块（IPM2）的第一集电极（C1）相连作为功率变换主电路模块 (1) 的另一个输入端口，该输入端与交流电源 (6) 和辅助电源模块(5)相连，第一半桥功率模块（IPM1）的发射极（E2）与第二半桥功率模块（IPM2）的发射极（E2）相连，第一半桥功率模块（IPM1）的第二集电极（C2）极与输出滤波电感（L）的一端相连，输出滤波电感（L）的另一端与输出滤波电容（ C ）的一端相连作为功率变换主电路模块 (1) 的一个输出端口，第二半桥功率模块（IPM2）的第二集电极（C2）与输出滤波电容（C）的另一端相连作为功率变换主电路模块(1)的另一个输出端口，该输出端与检测模块(4)和负载 (7) 相连 ；第一半桥功率模块 （IPM1）的第一栅极（G1）和第二栅极（G2）、第二半桥功率模块（IPM2）的第一栅极（G3）和第二栅极（G4）与光耦隔离模块 (2) 相连传输PWM 信号；

所述的检测模块 (4) 包括 ：两个电压互感器、电流互感器和信号调理电路，其中：两个电压互感器分别与功率变换主电路模块 (1) 的输出端和负载 (7) 相连，传输功率变换主电路模块 (1) 的输出电压和负载电压信号，电流互感器与负载相连传输电流信号，信号调理电路的输入端分别与电压互感器和电流互感器相连传输功率变换主电路模块（1）的输出电压、负载（7）的电压和电流信号；

当交流电源（ 6 ）电压大于零时，第三开关（ S3）、第四开关 （S4 ）处于常通状态，第一开关（S1）、第二开关（S2）受互补的PWM信号控制；在负载（7）的电压大于零，电流小于零的情况下，当第一开关（S1）导通时，第二开关（S2）关断，负载（7）的电流通过第三开关（S3）、第一续流二极管（VD1）向交流电源（ 6 ）反馈无功能量，变换器工作在有源模式 ；当第一开关 （S1 ）关断时，第二开关 （S2）导通，负载（ 7 ）的电流通过第二开关（ S2）、第四续流二极管（ VD4 ）续流，变换器工作在续流模式；为防止第一开关（S1）、第二开关（S2）共同导通，对互补PWM控制信号中加入死区时间；死区时间内第一开关 （S1）、第二开关 （S2） 都处于关断状态，负载（ 7） 的电流通过第三开关 （S3）、第一续流二极管（VD1）向交流电源（6）反馈无功能量；在负载（7）的电压大于零，电流大于零的情况下，当第一开关 （S1） 导通时，第二开关 （S2 ）关断，交流电源（ 6 ）通过第一开关 （S1）、第三续流二极管 （VD3）向负载 （7） 提供电能，变换器工作在有源模式；当第一开关 （S1） 关断时，第二开关 （S2 ）导通，负载 （7 ）的电流通过第四开关 （S4）、第二续流二极管（ VD2） 续流，变换器工作在续流模式；为防止第一开关（S1）、第二开关（S2）共同导通，对互补PWM控制信号中加入死区时间；死区时间内第一开关 （S1）、第二开关（ S2 ）都处于关断状态，负载（ 7） 的电流通过第四开关 （S4）、第二续流二极管（VD2） 续流，变换器工作在死区模式；

当交流电源（ 6） 电压小于零时，第一开关（ S1）、第二开关 （S2 ）处于常通状态，第三开关（S3）、第四开关（S4）受互补的PWM信号控制；在负载（7）的电压小于零，电流大于零的情况下，当第三开关（ S3） 导通时，第四开关 （S4 ）关断，交流电源 （6 ）通过第一开关 （S1）、第三续流二极管（ VD3）向负载（7）提供电能，变换器工作在有源模式 ；当第三开关（S3）关断时，第四开关（S4）导通，负载（7）的电流通过第四开关（S4）、第二续流二极管（VD2）续流，变换器工作在续流模式；为防止第三开关（S3）、第四开关（S4）共同导通，对互补PWM控制信号中加入死区时间；死区时间内第三开关（ S3）、第四开关 （S4 ）都处于关断状态，交流电源（ 6 ）通过第一开关（ S1）、第三续流二极管 （VD3 ）向负载（7）提供电能；

在负载（7）的电压小于零，电流小于零的情况下，当第三开关（S3）导通时，第四开关（S4）关断，负载（7）通过第三开关（S3）、第一续流二极管（VD1）向交流电源（6）反馈无功能量，变换器工作在有源模式；当第三开关（S3）关断时，第四开关（S4）导通，负载（7）的电流通过第二开关（S2）、第四续流二极管（VD4）续流，变换器工作在续流模式；为防止第三开关（S3）、第四开关（S4）共同导通，对互补PWM控制信号中加入死区时间；死区时间内第三开关（S3）、第四开关（S4）都处于关断状态，负载（7）的电流通过第二开关（S2）、第四续流二极管（VD4）续流，变换器工作在死区模式。

2. 根据权利要求 1 所述的一种桥式交流斩波功率变换器，其特征在于：所述第一半桥功率模块和第二半桥功率模块为智能功率模块 IPM。

3.根据权利要求 1 所述的一种桥式交流斩波功率变换器，其特征在于：所述的光耦隔离模块 (2) 包括 ：第一光耦隔离电路、第二光耦隔离电路，第三光耦隔离电路、第四光耦隔离电路 ；其中 ：光耦隔离电路与相应的半桥功率模块相连传输PWM信号 ；光耦隔离模块(2)接收辅助电源模块 (5) 提供的直流电，传输控制信号发生模块 (3) 发出的PWM控制信号。

4. 根据权利要求 1 所述的一种桥式交流斩波功率变换器，其特征在于 ：所述的控制信号发生模块 (3) 是数字信号处理器、微控制器和复杂可编程逻辑器中的一种。