CN104253537A - 单管反激式高频隔离三电平ac/ac变换器 - Google Patents

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赵卫
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Abstract

本发明公开一种单管反激式高频隔离三电平AC/AC变换器，由依次连接的输入交流电源、分压电容、高频隔离式三电平变换单元、周波变换器、输出滤波器和输出交流负载构成；该变换器在传统反激AC/AC变换器的基础上，通过在输入交流电压源两端并联两个电容分压，使变压器前端能产生三个电平，且在变压器副边也能感应出三个电平，减小开关管电压应力，同时改善了输出电压波形质量。本发明的单管反激式高频隔离三电平AC/AC变换器，具有两级功率变换(低频交流LFAC/高频交流HFAC/低频交流LFAC)，可实现交流负载与交流电源高频电气隔离的高频隔离，在大功率场合具有广阔的应用前景。

Description

单管反激式高频隔离三电平AC/AC变换器
技术领域
本发明属于电力电子变换领域，特别是单管反激式高频隔离三电平AC/AC变换器。
背景技术
交－交(AC/AC)变换技术是应用功率半导体器件，将交流电能经过变压变频换成所需的恒压恒频的交流电能的一种变流技术，也叫周波变换器，它不同于普通的变频器，没有交流整流到直流再逆变成交流的环节，是AC/AC变换的结构，这种技术一般用在大型功率装置上。
传统的AC/AC变换技术包括工频变压器，可控硅相控变频器等。工频变压器广泛应用于工矿企业，科研院所和大学实验室等领域，实现了高效率传递功率，AC/AC变压器与电气隔离等功能。但是工频变压器体积大且笨重，音频噪音大，无稳压功能，对非线性负载供电时谐波污染电网现象严重，满足不了电气电子设备小型化的需求。因此。寻求高功率密度、高变换效率、高频电气隔离、无噪音、网侧电流波形可得到改善、可稳压、具有双向功率流的新型AC/AC变换器的研究具有十分重要的意义，其综合性能将比传统的工频变压器优越很多。而可控硅相控变频器输出电压频率一般不超过输入电压频率的三分之一，因此可控硅相控变频器多用于低速大功率的拖动。
目前，国内外电力电子研究人员对于交-交变换器的研究，大多集中在AC/DC/AC变换器和两电平AC/AC变换器；对于多电平变换器的研究，主要集中在多电平直-直、直-交和交-直变换器，而对于多电平交－交变换器的研究则非常少，对电流源多电平功率变换的交—交变换器研究却比较少。
如果将输入工频正弦交流电压整流滤波，然后经过高频环节逆变成低频交流，便可构成AC/DC/AC变换器。显然这种交-直-交方案的高频环节AC/DC/AC变换器的电路拓扑复杂，体积重量大、变换效率低、电网谐波污染严重、单向功率传递、成本高等缺点。
相比较交-直-交型高频环节AC/DC/AC变换器，交-交型两电平高频环节AC/AC变换器电路拓扑简洁、两级功率变换、功率密度高和变换效率高、双向功率流、音频噪声低、网侧电流波形得到改善，适合于中小功率变换场合。但是两电平变频环节AC/AC变换器无法满足大功率场合的要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有两级功率变换(低频交流LFAC/高频交流HFAC/低频交流LFAC)、具有双向功率流、网侧电流波形和功率因数可得到改善、电路拓扑简洁、高频电气隔离、音频噪音小、体积重量小、输出滤波器前端电压频谱特性好、高功率密度、降低开关器件的电压应力、输出滤波器体积小、能够实现交流负载与交流电源高频电气隔离的高频隔离式三电平AC/AC变换器。
实现本发明目的的技术解决方案为：
单管反激式高频隔离三电平AC/AC变换器，由依次连接的输入交流电源、分压电容、高频隔离式三电平变换单元、周波变换器、输出滤波器和输出交流负载构成；其中，输入交流电源单元包括输入交流电源，输入交流电源单元与分压电容的一端连接，分压电容另一端与高频隔离式三电平变换单元的一端连接，高频隔离式三电平变换单元另一端与周波变换器的一端连接，周波变换器另一端与输出滤波器的一端连接，输出滤波器另一端与输出交流负载连接。
进一步地，所述分压电容包括第一分压电容，第二分压电容；第一分压电容的正极与输入交流电源单元的正极连接，第一分压电容的负极与第二分压电容的正极连接，第二分压电容的负极与输入交流电源的参考负极连接。
所述高频隔离式三电平变换单元包括第一双向功率开关管，第二双向功率开关管，第三双向功率开关管，高频隔离变压器。第一双向功率开关管，第二双向功率开关管，第三双向功率开关管都是由两个单个的功率开关管反向串联而构成承受正向、反向的电压应力和电流应力的开关，具有双向阻断功能。其中：
第一功率开关管的漏极与第一分压电容的正极连接，第一功率开关管的源极与第二功率开关管的源极连接，第一二极管反并联在第一功率开关管两端，即第一二极管的阴极与第一功率开关管的漏极连接，第一二极管的阳极与第一功率开关管的源极连接；第二功率开关管的源极与第一开关管的源极连接，第二功率开关管的漏极与高频隔离变压器第一原边绕组的同名端及第六功率开关管的漏极连接，第二二极管反并联在第二功率开关管两端，即第二二极管的阴极与第二功率开关管的漏极连接，第二二极管的阳极与第二功率开关管的源极连接；第三功率开关管的漏极高频隔离变压器第一原边绕组的非同名端连接，第三功率开关管的源极与第四功率开关管的源极连接，第三二极管反并联在第三功率开关管两端，即第三二极管的阴极与第三功率开关管的漏极连接，第三二极管的阳极与第三功率开关管的源极连接；第四功率开关管的源极与第三功率开关管的源极连接，第四功率开关管的漏极第二分压电容的负极连接，第四二极管反并联在第四功率开关管两端，即第四二极管的阴极与第四功率开关管的漏极连接，第四二极管的阳极与第四功率开关管的源极连接；第五功率开关管的漏极与第一分压电容的负极及第二分压电容的正极连接，第五功率开关管的源极与第六功率开关管的源极连接，第五二极管反并联在第五功率开关管两端，即第五二极管的阴极与第五功率开关管的漏极连接，第五二极管的阳极与第五功率开关管的源极连接；第六功率开关管的源极与第五功率开关管的源极连接，第六功率开关管的漏极与第二功率开关管的漏极及高频隔离变压器第一原边绕组的同名端连接，第六二极管反并联在第六功率开关管两端，即第六二极管的阴极与第六功率开关管的漏极连接，第六二极管的阳极与第六功率开关管的源极连接。
所述周波变换器包括第七功率开关管、第七二极管、第八功率开关管、第八二极管；第七功率开关管的漏极与高频隔离变压器第一副边绕组的非同名端连接，第七功率开关管的源极与滤波器的一端连接，第七二极管反并联在第七功率开关管两端，即第七二极管的阴极与第七功率开关管的漏极连接，第七二极管的阳极与第七功率开关管的源极连接；第八功率开关管的漏极与高频隔离变压器第一副边绕组的同名端相连，第八功率开关管的源极与输出滤波器的另一端相连接，第八二极管反并联在第八功率开关管两端，即第八二极管的阴极与第八功率开关管的漏极连接，第八二极管的阳极与第八功率开关管的源极连接。
所述输出滤波器包括输出滤波电容；输出滤波电容的一端与第七功率开关管的源极相连接，输出滤波电容的另一端与第八功率开关管的源极相连接。
输出交流负载包括交流负载，交流负载的一端和输出滤波电容的一端连接，交流负载的另一端和输出滤波电容的另一端连接。
本发明与现有技术相比，其显著优点：
(1)将箝位型多电平拓扑的构造思路运用于传统反激AC/AC变换电路中。并在输入交流电源与交流负载中***高频隔离变压器，实现了输入侧与负载侧的电气隔离，同时实现变换器的小型化、轻量化，提高变换器的效率。
(2)与传统两电平变换器相比，该变换器能在输出滤波器前端获得U、U/2、-UO/n三个电平。减小了开关管电压应力和输出滤波器体积，同时改善了输出电压波形，更适用于高电压大功率场合。
(3)单管反激式高频隔离三电平AC/AC变换器具有双向功率流、网侧电流波形和功率因数可得到改善、电路拓扑简洁、高频电气隔离、音频噪音小、体积重量小、两级功率变换(低频交流LFAC/高频交流HFAC/低频交流LFAC)、变换效率高、成本低等优点，在大功率场合具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明一实施例单管反激式高频隔离三电平AC/AC变换器电路结构示意图。
具体实施方式
结合图1：本发明一实施方式的单管反激式高频隔离三电平AC/AC变换器，由依次连接的输入交流电源单元1、分压电容2、高频隔离式三电平变换单元3、周波变换器4、输出滤波器5、输出交流负载6组成；其中，输入交流电源单元1包括输入交流电源U，输入交流电源U与分压电容2的一端连接，分压电容2另一端与高频隔离式三电平变换单元3的一端连接，高频隔离式三电平变换单元3另一端与周波变换器4的一端连接，周波变换器4另一端与输出滤波器5的一端连接，输出滤波器5另一端与输出交流负载6连接。
结合图1所示，分压电容2包括第一分压电容C1，第二分压电容C2；第一分压电容C1的正极与输入交流电源U的正极连接，第一分压电容C1的负极与第二分压电容C2的正极连接，第二分压电容C2的负极与输入交流电源U的参考负极连接。
高频隔离式三电平变换单元3包括第一双向功率开关管S1，第二双向功率开关管S2，第三双向功率开关管S3，高频隔离变压器T。
如图1，第一双向功率开关管S1，第二双向功率开关管S2，第三双向功率开关管S3都是由两个单个的功率开关管反向串联而构成承受正向、反向的电压应力和电流应力的开关，具有双向阻断功能。
第一双向功率开关管S1包括第一功率开关管S1a、第二功率开关管S1b、第一二极管D1a、第二极管D1b，第二双向功率开关管S2包括第三功率开关管S2a、第四功率开关管S2b、第三二极管D2a、第四极管D2b，第三双向功率开关管S3包括第五功率开关管S3a、第六功率开关管S3b、第五二极管D3a、第六极管D3b，高频隔离变压器T包括第一原边绕组L1，第一副边绕组L2。其中：
第一功率开关管S1a的漏极与第一分压电容C1的正极连接，第一功率开关管S1a的源极与第二功率开关管S1b的源极连接，第一二极管D1a反并联在第一功率开关管S1a两端，即第一二极管D1a的阴极与第一功率开关管S1a的漏极连接，第一二极管D1a的阳极与第一功率开关管S1a的源极连接；第二功率开关管S1b的源极与第一开关管S1a的源极连接，第二功率开关管S1b的漏极与高频隔离变压器T第一原边绕组L1的同名端及第六功率开关管S3b的漏极连接，第二二极管D1b反并联在第二功率开关管S1b两端，即第二二极管D1b的阴极与第二功率开关管S1b的漏极连接，第二二极管D1b的阳极与第二功率开关管S1b的源极连接；第三功率开关管S2a的漏极高频隔离变压器T第一原边绕组L1的非同名端连接，第三功率开关管S2a的源极与第四功率开关管S2b的源极连接，第三二极管D2a反并联在第三功率开关管S2a两端，即第三二极管D2a的阴极与第三功率开关管S2a的漏极连接，第三二极管D2a的阳极与第三功率开关管S2a的源极连接；第四功率开关管S2b的源极与第三功率开关管S2a的源极连接，第四功率开关管S2b的漏极第二分压电容C2的负极连接，第四二极管D2b反并联在第四功率开关管S2b两端，即第四二极管D2b的阴极与第四功率开关管S2b的漏极连接，第四二极管D2b的阳极与第四功率开关管S2b的源极连接；第五功率开关管S3a的漏极与第一分压电容C1的负极及第二分压电容C2的正极连接，第五功率开关管S3a的源极与第六功率开关管S3b的源极连接，第五二极管D3a反并联在第五功率开关管S3a两端，即第五二极管D3a的阴极与第五功率开关管S3a的漏极连接，第五二极管D3a的阳极与第五功率开关管S3a的源极连接；第六功率开关管S3b的源极与第五功率开关管S3a的源极连接，第六功率开关管S3b的漏极与第二功率开关管S1b的漏极及高频隔离变压器T第一原边绕组L1的同名端连接，第六二极管D3b反并联在第六功率开关管S3b两端，即第六二极管D3b的阴极与第六功率开关管S3b的漏极连接，第六二极管D3b的阳极与第六功率开关管S3b的源极连接。
周波变换器4包括第七功率开关管S4、第七二极管D4、第八功率开关管S5、第八二极管D5。
如图1，第七功率开关管S4的漏极与高频隔离变压器T第一副边绕组L2的非同名端连接，第七功率开关管S4的源极与滤波器的一端连接，第七二极管D4反并联在第七功率开关管S4两端，即第七二极管D4的阴极与第七功率开关管S4的漏极连接，第七二极管D4的阳极与第七功率开关管S4的源极连接；第八功率开关管S5的漏极与高频隔离变压器T第一副边绕组L2的同名端相连，第八功率开关管S5的源极与输出滤波器的另一端相连接，第八二极管D5反并联在第八功率开关管S5两端，即第八二极管D5的阴极与第八功率开关管S5的漏极连接，第八二极管D5的阳极与第八功率开关管S5的源极连接。
输出滤波器5包括输出滤波电容Cf；输出滤波电容Cf的一端与第七功率开关管S7的源极相连接，输出滤波电容Cf的另一端与第八功率开关管S8的源极相连接。
输出交流负载6包括交流负载ZL，交流负载ZL的一端和输出滤波电容Cf的一端连接，交流负载ZL的另一端和输出滤波电容Cf的另一端连接。
本发明单管反激式高频隔离三电平AC/AC变换器的基本工作原理如下：变换器可采用有源箝位的脉冲调制(SPWM)斩波的控制方式。
当不稳定的高压输入交流电源U向交流负载ZL传递功率时，交流输入电压经输入分压电容后得到U、U/2两个电平，输入电源电压经高频隔离三电平变换单元将其调制成双极性的高频脉冲电压，通过高频变压器的隔离、传递后，周波变换器将其解调成单极性的低频脉冲电压，再经输出滤波器进行输出滤波后得到稳定或可调的正弦交流电压Uo。该变换器可以采用基于电压瞬时值反馈控制的有源箝位脉冲调制(SPWM)斩波的控制方式。将AC/AC变换器输出的电压Uo的采样电压与正弦基准电压Uref比较，该误差电压经过比例积分调节器后得到误差放大信号Ue，该误差信号再与锯齿形载波交截便能得到SPWM信号波，将所得SPWM信号及正弦基本信号波通过一系列的逻辑变换得到各个开关管的驱动信号。
由于交-交变换器具有四象限工作能力，因此可以带阻性、容性、感性和整流性负载。在一个输出电压周期中，变换器有四种工作模式，分别对应四象限的工作，每一种工作模式都相当于一个反激高频隔离变换器，而不同的负载条件下变换器的工作顺序也不同。
由此可见，本实施例提供的AC/AC变换器具有四象限工作能力，因此可以带感性、容性、阻性和整流性负载，此交-交变换器的控制电路可根据交流负载的性质进行调整，从而在输出端得到稳定或可调的电压。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (3)

1.单管反激式高频隔离三电平AC/AC变换器，其特征在于：由依次连接的输入交流电源单元(1)、分压电容(2)、高频隔离式三电平变换单元(3)、周波变换器(4)、输出滤波器(5)、输出交流负载(6)组成；其中，输入交流电源单元(1)与分压电容(2)的一端连接，分压电容(2)另一端与高频隔离式三电平变换单元(3)的一端连接，高频隔离式三电平变换单元(3)另一端与周波变换器(4)的一端连接，周波变换器(4)另一端与输出滤波器(5)的一端连接，输出滤波器(5)另一端与输出交流负载(6)连接。 
2.根据权利要求1所述单管反激式高频隔离三电平AC/AC变换器，其特征在于：所述输入交流电源单元(1)包括输入交流电源(U)；分压电容(2)包括第一分压电容(C1)以及第二分压电容(C2)；高频隔离式三电平变换单元(3)包括第一双向功率开关管(S1)、第二双向功率开关管(S2)、第三双向功率开关管(S3)以及高频隔离变压器(T)；周波变换器(4)包括第七功率开关管(S4)、第七二极管(D4)、第八功率开关管(S5)、第八二极管(D5)；输出滤波器(5)包括输出滤波电容(Cf)；输出交流负载(6)包括交流负载(ZL)。 
3.根据权利要求2所述单管反激式高频隔离三电平AC/AC变换器，其特征在于： 
所述分压电容(2)中的第一分压电容(C1)的正极与输入交流电源单元(U)的正极连接，第一分压电容(C1)的负极与第二分压电容(C2)的正极连接，第二分压电容(C2)的负极与输入交流电源(U)的参考负极连接； 
所述高频隔离式三电平变换单元(3)中的第一双向功率开关管(S1)、第二双向功率开关管(S2)、第三双向功率开关管(S3)都是由两个单个的功率开关管反向串联而构成承受正向、反向的电压应力和电流应力的开关，具有双向阻断功能； 
第一双向功率开关管(S1)包括第一功率开关管(S1a)、第二功率开关管(S1b)、第一二极管(D1a)、第二极管(D1b)；第二双向功率开关管(S2)包括第三功率开关管(S2a)、第四功率开关管(S2b)、第三二极管(D2a)、第四极管(D2b)；第三双向功率开关管(S3)包括第五功率开关管(S3a)、第六功率开关管(S3b)、第五二极管(D3a)、第六极管(D3b)；高频隔离变压器(T)包括第一原边绕组(L1)，第一副边绕组(L2)，其中：第一功率开关管(S1a)的漏极与第一分压电容(C1)的正极连接，第一功率开关管(S1a)的源极与第二功率开关管(S1b)的源极连接，第一二极管(D1a)反并联在第一功率开关管(S1a)两端，即第一二极管(D1a)的阴极与第一功率开关管(S1a)的漏极连接，第一二极管(D1a)的阳极与第一功率开关管(S1a)的源极连接；第二功率开关管(S1b)的源极与第一开关管(S1a)的源极连接，第二功率开关管(S1b)的漏极与高频隔离变压器(T)第一原边绕组(L1)的 同名端及第六功率开关管(S3b)的漏极连接，第二二极管(D1b)反并联在第二功率开关管(S1b)两端，即第二二极管(D1b)的阴极与第二功率开关管(S1b)的漏极连接，第二二极管(D1b)的阳极与第二功率开关管(S1b)的源极连接；第三功率开关管(S2a)的漏极高频隔离变压器(T)第一原边绕组(L1)的非同名端连接，第三功率开关管(S2a)的源极与第四功率开关管(S2b)的源极连接，第三二极管(D2a)反并联在第三功率开关管(S2a)两端，即第三二极管(D2a)的阴极与第三功率开关管(S2a)的漏极连接，第三二极管(D2a)的阳极与第三功率开关管(S2a)的源极连接；第四功率开关管(S2b)的源极与第三功率开关管(S2a)的源极连接，第四功率开关管(S2b)的漏极第二分压电容(C2)的负极连接，第四二极管(D2b)反并联在第四功率开关管(S2b)两端，即第四二极管(D2b)的阴极与第四功率开关管(S2b)的漏极连接，第四二极管(D2b)的阳极与第四功率开关管(S2b)的源极连接；第五功率开关管(S3a)的漏极与第一分压电容(C1)的负极及第二分压电容(C2)的正极连接，第五功率开关管(S3a)的源极与第六功率开关管(S3b)的源极连接，第五二极管(D3a)反并联在第五功率开关管(S3a)两端，即第五二极管(D3a)的阴极与第五功率开关管(S3a)的漏极连接，第五二极管(D3a)的阳极与第五功率开关管(S3a)的源极连接；第六功率开关管(S3b)的源极与第五功率开关管(S3a)的源极连接，第六功率开关管(S3b)的漏极与第二功率开关管(S1b)的漏极及高频隔离变压器(T)第一原边绕组(L1)的同名端连接，第六二极管(D3b)反并联在第六功率开关管(S3b)两端，即第六二极管(D3b)的阴极与第六功率开关管(S3b)的漏极连接，第六二极管(D3b)的阳极与第六功率开关管(S3b)的源极连接； 
所述周波变换器(4)中的第七功率开关管(S4)的漏极与高频隔离变压器(T)第一副边绕组(L2)的非同名端连接，第七功率开关管(S4)的源极与滤波器(5)的一端连接，第七二极管(D4)反并联在第七功率开关管(S4)两端，即第七二极管(D4)的阴极与第七功率开关管(S4)的漏极连接，第七二极管(D4)的阳极与第七功率开关管(S4)的源极连接；第八功率开关管(S5)的漏极与高频隔离变压器(T)第一副边绕组(L2)的同名端相连，第八功率开关管(S5)的源极与输出滤波器(5)的另一端相连接，第八二极管(D5)反并联在第八功率开关管(S5)两端，即第八二极管(D5)的阴极与第八功率开关管(S5)的漏极连接，第八二极管(D5)的阳极与第八功率开关管(S5)的源极连接； 
所述输出滤波器(5)中的输出滤波电容(Cf)的一端与第七功率开关管(S4)的源极连接，输出滤波电容(Cf)的另一端与第八功率开关管(S8)的源极连接； 
所述输出交流负载(6)中的交流负载(ZL)的一端和输出滤波电容(Cf)的一端连接，交流负载(ZL)的另一端和输出滤波电容(Cf)的另一端连接。 
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