CN109768729A - 单相高频隔离型可变拓扑ac-dc变换器 - Google Patents
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Abstract
单相高频隔离型可变拓扑AC‑DC变换器，属于电能变换技术领域，本发明为解决现有单相交直流变换器存在体积大、成本高、视在功率利用率低的问题。本发明交流侧LC滤波器的两个输出端分别连接矩阵变换器的两个输入端，矩阵变换器的两个输出端分别连接高频隔离变压器的第一绕组的两端；第一桥式变换器和第二桥式变换器结构相同，第一桥式变换器的两个输入端分别连接高频隔离变压器的第二绕组的两端，第二桥式变换器的两个输入端分别连接高频隔离变压器的第三绕组的两端，第一桥式变换器和第二桥式变换器串联或并联后的输出端与直流侧LC滤波器的输入端相连，直流侧LC滤波器输出变换后的直流电压。本发明用于单相交直流变换器。
Description
技术领域
本发明涉及一种单相高频隔离型可变拓扑AC-DC变换器，属于电能变换技术领域。
背景技术
以蓄电池和超级电容为代表的储能***在分布式可再生发电微电网、电动车等领域获得了广泛应用。在上述储能***中，通常需要具有双向功率传输功能的交-直流变换器对储能元件进行充放电。另外，为消除漏电流和提高***安全性，要求该交-直流变换器具有电气隔离功能。
在现有应用于储能***的交-直流变换器中，所采取的一种电气隔离方案包括以下几种：
第一种方案是在交流侧和电网之间加入工频隔离变压器，这种方案虽然能够实现变换器和交流电网之间的电气隔离，但是由于工频隔离变压器工作在电网频率，体积较大，同时由于其功率和所连接的变换器功率相同，造成成本增加和功耗加大。
另一种获得广泛应用的方案是采用带有高频隔离变压器的DC-DC变换器结合DC-AC变换器的两级式结构，这种结构消除了工频变压器，从而大幅降低了整个***的体积，但是这种结构的器件数量较多，造成成本和损耗均较大，而且其中间环节所使用的大容值电解电容使用寿命较短，也造成整个***的使用寿命受限。
第三种方案是采用交-直流直接变换器的单级式结构，这种结构消除了中间DC-DC变换环节，也无需使用直流环节的大容值电解电容，从而在大幅降低体积的同时，也显著提高了整个***的使用寿命。正是由于上述优点，使得这种结构在储能***中具有广阔的发展前景。
由蓄电池和超级电容的工作特性可知，其端电压会随着内部存储能量的变化而大幅变化，而为了维持恒功率充放电特性，需要在端电压较低时维持较大工作电流，而在端电压较高时只需较小工作电流即可。现有用于储能***的变换器的功率器件的额定容量均需按照储能***的最大工作电压和电流来选取，造成整个***的视在功率存在较大浪费，并且***成本、体积和损耗均显著增加。
发明内容
本发明目的是为了解决现有单相交直流变换器存在体积大、成本高、视在功率利用率低的问题，提供了一种单相高频隔离型可变拓扑AC-DC变换器。
本发明所述单相高频隔离型可变拓扑AC-DC变换器，它包括交流侧LC滤波器、双向功率开关构成的矩阵变换器、高频隔离变压器、第一桥式变换器、第二桥式变换器和直流侧LC滤波器；
交流侧LC滤波器的两个输出端分别连接矩阵变换器的两个输入端，矩阵变换器的两个输出端分别连接高频隔离变压器的第一绕组的两端；
第一桥式变换器和第二桥式变换器结构相同，第一桥式变换器的两个输入端分别连接高频隔离变压器的第二绕组的两端，第二桥式变换器的两个输入端分别连接高频隔离变压器的第三绕组的两端，第一桥式变换器和第二桥式变换器串联或并联后的输出端与直流侧LC滤波器的输入端相连，直流侧LC滤波器输出变换后的直流电压。
优选的，它还包括两个单刀双掷开关，第一桥式变换器和第二桥式变换器通过两个单刀双掷开关实现串联或并联连接。
优选的，交流侧LC滤波器包括电感Lg和电容Cg，电感Lg的一端和电容Cg的一端分别连接电网，电感Lg的另一端和电容Cg的另一端相连，电容Cg的两端作为交流侧LC滤波器的两个输出端。
优选的，矩阵变换器包括双向功率开关Q1、Q2、Q3和Q4，双向功率开关Q1的一端和双向功率开关Q3的一端相连，公共连接点作为矩阵变换器的一个输入端，双向功率开关Q2的一端和双向功率开关Q4的一端相连，公共连接点作为矩阵变换器的另一个输入端，双向功率开关Q1的另一端和双向功率开关Q2的另一端相连，公共连接端作为矩阵变换器的一个输出端，连接高频隔离变压器的第一绕组的同名端，双向功率开关Q3的另一端和双向功率开关Q4的另一端相连，公共连接端作为矩阵变换器的另一个输出端，连接高频隔离变压器的第一绕组的异名端；
双向功率开关Q1、Q2、Q3和Q4的结构相同，由两个功率开关反向串联构成。
优选的，第一桥式变换器包括电感L1、功率开关S1、功率开关S2、功率开关S3、功率开关S4和电容C1；电感L1的一端作为第一桥式变换器的一个输入端，连接高频隔离变压器的第二绕组的同名端，电感L1的另一端同时连接功率开关S1的一端和功率开关S2的一端，功率开关S3的一端和功率开关S4的一端相连，公共连接端作为第一桥式变换器的另一个输入端，连接高频隔离变压器的第二绕组的异名端，功率开关S1的另一端同时连接功率开关S3的另一端和电容C1的一端，公共连接端作为第一桥式变换器的一个输出端，功率开关S2的另一端同时连接功率开关S4的另一端和电容C1的另一端，公共连接端作为第一桥式变换器的另一个输出端，连接第一单刀双掷开关J1的引脚1。
优选的，第二桥式变换器包括电感L2、电感L3、功率开关S5、功率开关S6、功率开关S7、功率开关S8和电容C2；电感L2的一端作为第二桥式变换器的一个输入端，连接高频隔离变压器的第三绕组的同名端，电感L2的另一端同时连接功率开关S5的一端和功率开关S6的一端，功率开关S7的一端和功率开关S8的一端相连，公共连接端作为第二桥式变换器的另一个输入端，连接高频隔离变压器的第三绕组的异名端，功率开关S5的另一端同时连接功率开关S7的另一端、电容C2的一端和电感L3的一端，电感L3的另一端作为第二桥式变换器的一个输出端，连接第二单刀双掷开关J2的引脚1，功率开关S6的另一端同时连接功率开关S8的另一端和电容C2的另一端，公共连接端作为第二桥式变换器的另一个输出端。
优选的，直流侧LC滤波器包括电感L0和电容C0；
电感L0的一端作为直流侧LC滤波器的一个输入端，连接功率开关S1和功率开关S3的公共连接端，电感L0的另一端同时连接电容C0的一端和第二单刀双掷开关J2的引脚3，电容C0的另一端作为直流侧LC滤波器的另一个输入端，连接功率开关S7和功率开关S8的公共连接端，同时连接第一单刀双掷开关J1的引脚3，第一单刀双掷开关J1的引脚2连接第二单刀双掷开关J2的引脚2，电感L0和电容C0的公共连接端作为变换器的直流正极输出端，电容C0的另一端作为变换器的直流负极输入端。
本发明的优点：
1、采用高频隔离变压器和单级式结构，消除了工频变压器和大容值电解电容，具有体积小、重量轻、效率高、寿命长等优点；
2、通过拓扑结构的切换，实现了功率器件额定容量的充分利用，显著降低了***成本，提高了***效率。
附图说明
图1是本发明所述单相高频隔离型可变拓扑AC-DC变换器的原理图；
图2是双向功率开关的原理图；
图3是第一桥式变换器和第二桥式变换器输出串联时的简化电路结构原理图；
图4是第一桥式变换器和第二桥式变换器输出并联时的简化电路结构原理图。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述单相高频隔离型可变拓扑AC-DC变换器，它包括交流侧LC滤波器、双向功率开关构成的矩阵变换器、高频隔离变压器、第一桥式变换器、第二桥式变换器和直流侧LC滤波器；
交流侧LC滤波器的两个输出端分别连接矩阵变换器的两个输入端，矩阵变换器的两个输出端分别连接高频隔离变压器的第一绕组的两端；
第一桥式变换器和第二桥式变换器结构相同，第一桥式变换器的两个输入端分别连接高频隔离变压器的第二绕组的两端，第二桥式变换器的两个输入端分别连接高频隔离变压器的第三绕组的两端，第一桥式变换器和第二桥式变换器串联或并联后的输出端与直流侧LC滤波器的输入端相连，直流侧LC滤波器输出变换后的直流电压。
本实施方式中，第一绕组为原边线圈，第二绕组和第三绕组为副边线圈。
本实施方式中，通过控制两个单刀双掷开关的连接方式，可以实现两个H桥变换器输出侧的串联和并联连接，从而通过低压、小电流功率器件实现宽的输出电压和电流范围。
它还包括两个单刀双掷开关，第一桥式变换器和第二桥式变换器通过两个单刀双掷开关实现串联或并联连接。
交流侧LC滤波器包括电感Lg和电容Cg，电感Lg的一端和电容Cg的一端分别连接电网，电感Lg的另一端和电容Cg的另一端相连，电容Cg的两端作为交流侧LC滤波器的两个输出端。
矩阵变换器包括双向功率开关Q1、Q2、Q3和Q4，双向功率开关Q1的一端和双向功率开关Q3的一端相连，公共连接点作为矩阵变换器的一个输入端，双向功率开关Q2的一端和双向功率开关Q4的一端相连，公共连接点作为矩阵变换器的另一个输入端，双向功率开关Q1的另一端和双向功率开关Q2的另一端相连，公共连接端作为矩阵变换器的一个输出端，连接高频隔离变压器的第一绕组的同名端，双向功率开关Q3的另一端和双向功率开关Q4的另一端相连，公共连接端作为矩阵变换器的另一个输出端，连接高频隔离变压器的第一绕组的异名端；
双向功率开关Q1、Q2、Q3和Q4的结构相同，由两个功率开关反向串联构成。
本实施方式中，双向功率开关Q1、Q2、Q3和Q4均采用两个功率开关反向串联组成，如图2所示。根据电网电压vg的极性控制相应方向下的双向功率开关内部的功率器件工作，从而保证矩阵变换器输出正确的电压极性。
第一桥式变换器包括电感L1、功率开关S1、功率开关S2、功率开关S3、功率开关S4和电容C1；电感L1的一端作为第一桥式变换器的一个输入端，连接高频隔离变压器的第二绕组的同名端，电感L1的另一端同时连接功率开关S1的一端和功率开关S2的一端，功率开关S3的一端和功率开关S4的一端相连，公共连接端作为第一桥式变换器的另一个输入端，连接高频隔离变压器的第二绕组的异名端，功率开关S1的另一端同时连接功率开关S3的另一端和电容C1的一端，公共连接端作为第一桥式变换器的一个输出端，功率开关S2的另一端同时连接功率开关S4的另一端和电容C1的另一端，公共连接端作为第一桥式变换器的另一个输出端，连接第一单刀双掷开关J1的引脚1。
第二桥式变换器包括电感L2、电感L3、功率开关S5、功率开关S6、功率开关S7、功率开关S8和电容C2；电感L2的一端作为第二桥式变换器的一个输入端，连接高频隔离变压器的第三绕组的同名端，电感L2的另一端同时连接功率开关S5的一端和功率开关S6的一端，功率开关S7的一端和功率开关S8的一端相连，公共连接端作为第二桥式变换器的另一个输入端，连接高频隔离变压器的第三绕组的异名端，功率开关S5的另一端同时连接功率开关S7的另一端、电容C2的一端和电感L3的一端，电感L3的另一端作为第二桥式变换器的一个输出端，连接第二单刀双掷开关J2的引脚1，功率开关S6的另一端同时连接功率开关S8的另一端和电容C2的另一端，公共连接端作为第二桥式变换器的另一个输出端。
直流侧LC滤波器包括电感L0和电容C0；电感L0的一端作为直流侧LC滤波器的一个输入端，连接功率开关S1和功率开关S3的公共连接端，电感L0的另一端同时连接电容C0的一端和第二单刀双掷开关J2的引脚3，电容C0的另一端作为直流侧LC滤波器的另一个输入端，连接功率开关S7和功率开关S8的公共连接端，同时连接第一单刀双掷开关J1的引脚3，第一单刀双掷开关J1的引脚2连接第二单刀双掷开关J2的引脚2，电感L0和电容C0的公共连接端作为变换器的直流正极输出端，电容C0的另一端作为变换器的直流负极输入端。
下面结合图3和图4，以功率从交流侧流向直流侧为例说明本发明的具体工作过程。在直流侧所连接的蓄电池或超级电容电压较高时，第一单刀双掷开关J1中的1脚和2脚相连，第二单刀双掷开关J2中的1脚和2脚也相连，从而使第一桥式变换器和第二桥式变换器的输出端串联后共同经过直流侧LC滤波器为所连接的蓄电池或超级电容充电，由于输出电压较高，因此可以使用较小的充电电流即可实现恒功率充电。在直流侧所连接的蓄电池或超级电容电压较低时，第一单刀双掷开关J1中的1脚和3脚相连，第二单刀双掷开关J2中的1脚和3脚也相连，从而使第一桥式变换器和第二桥式变换器的输出端并联后共同经过直流侧LC滤波器为所连接的蓄电池或超级电容充电，由于输出电压较低，因此需要较大充电电流，而由于第一桥式变换器和第二桥式变换器为并联关系，因此充电电流由二者平均分配，因此每个桥式变换器的输出电流为所需总电流的一半。
由上述的单相高频隔离型可变拓扑AC-DC变换器的工作原理可知，对于整个***所设定的最大充电电压和充电电流，每个桥式变换器中的各个功率器件的额定电压和电流仅为***设定值的一半即可，从而显著降低了***的初试投资成本，而其更小的额定电压和电流也明显降低了使用过程中的功率损耗和***体积。
Claims (7)
1.单相高频隔离型可变拓扑AC-DC变换器，其特征在于，它包括交流侧LC滤波器、双向功率开关构成的矩阵变换器、高频隔离变压器、第一桥式变换器、第二桥式变换器和直流侧LC滤波器；
交流侧LC滤波器的两个输出端分别连接矩阵变换器的两个输入端，矩阵变换器的两个输出端分别连接高频隔离变压器的第一绕组的两端；
第一桥式变换器和第二桥式变换器结构相同，第一桥式变换器的两个输入端分别连接高频隔离变压器的第二绕组的两端，第二桥式变换器的两个输入端分别连接高频隔离变压器的第三绕组的两端，第一桥式变换器和第二桥式变换器串联或并联后的输出端与直流侧LC滤波器的输入端相连，直流侧LC滤波器输出变换后的直流电压。
2.根据权利要求1所述的单相高频隔离型可变拓扑AC-DC变换器，其特征在于，它还包括两个单刀双掷开关，第一桥式变换器和第二桥式变换器通过两个单刀双掷开关实现串联或并联连接。
3.根据权利要求1所述的单相高频隔离型可变拓扑AC-DC变换器，其特征在于，交流侧LC滤波器包括电感Lg和电容Cg，电感Lg的一端和电容Cg的一端分别连接电网，电感Lg的另一端和电容Cg的另一端相连，电容Cg的两端作为交流侧LC滤波器的两个输出端。
4.根据权利要求1所述的单相高频隔离型可变拓扑AC-DC变换器，其特征在于，矩阵变换器包括双向功率开关Q1、Q2、Q3和Q4，双向功率开关Q1的一端和双向功率开关Q3的一端相连，公共连接点作为矩阵变换器的一个输入端，双向功率开关Q2的一端和双向功率开关Q4的一端相连，公共连接点作为矩阵变换器的另一个输入端，双向功率开关Q1的另一端和双向功率开关Q2的另一端相连，公共连接端作为矩阵变换器的一个输出端，连接高频隔离变压器的第一绕组的同名端，双向功率开关Q3的另一端和双向功率开关Q4的另一端相连，公共连接端作为矩阵变换器的另一个输出端，连接高频隔离变压器的第一绕组的异名端；
双向功率开关Q1、Q2、Q3和Q4的结构相同，由两个功率开关反向串联构成。
5.根据权利要求2所述的单相高频隔离型可变拓扑AC-DC变换器，其特征在于，第一桥式变换器包括电感L1、功率开关S1、功率开关S2、功率开关S3、功率开关S4和电容C1；电感L1的一端作为第一桥式变换器的一个输入端，连接高频隔离变压器的第二绕组的同名端，电感L1的另一端同时连接功率开关S1的一端和功率开关S2的一端，功率开关S3的一端和功率开关S4的一端相连，公共连接端作为第一桥式变换器的另一个输入端，连接高频隔离变压器的第二绕组的异名端，功率开关S1的另一端同时连接功率开关S3的另一端和电容C1的一端，公共连接端作为第一桥式变换器的一个输出端，功率开关S2的另一端同时连接功率开关S4的另一端和电容C1的另一端，公共连接端作为第一桥式变换器的另一个输出端，连接第一单刀双掷开关J1的引脚1。
6.根据权利要求2所述的单相高频隔离型可变拓扑AC-DC变换器，其特征在于，第二桥式变换器包括电感L2、电感L3、功率开关S5、功率开关S6、功率开关S7、功率开关S8和电容C2；电感L2的一端作为第二桥式变换器的一个输入端，连接高频隔离变压器的第三绕组的同名端，电感L2的另一端同时连接功率开关S5的一端和功率开关S6的一端，功率开关S7的一端和功率开关S8的一端相连，公共连接端作为第二桥式变换器的另一个输入端，连接高频隔离变压器的第三绕组的异名端，功率开关S5的另一端同时连接功率开关S7的另一端、电容C2的一端和电感L3的一端，电感L3的另一端作为第二桥式变换器的一个输出端，连接第二单刀双掷开关J2的引脚1，功率开关S6的另一端同时连接功率开关S8的另一端和电容C2的另一端，公共连接端作为第二桥式变换器的另一个输出端。
7.根据权利要求2所述的单相高频隔离型可变拓扑AC-DC变换器，其特征在于，直流侧LC滤波器包括电感L0和电容C0；
电感L0的一端作为直流侧LC滤波器的一个输入端，连接功率开关S1和功率开关S3的公共连接端，电感L0的另一端同时连接电容C0的一端和第二单刀双掷开关J2的引脚3，电容C0的另一端作为直流侧LC滤波器的另一个输入端，连接功率开关S7和功率开关S8的公共连接端，同时连接第一单刀双掷开关J1的引脚3，第一单刀双掷开关J1的引脚2连接第二单刀双掷开关J2的引脚2，电感L0和电容C0的公共连接端作为变换器的直流正极输出端，电容C0的另一端作为变换器的直流负极输入端。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20190517 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |