CN201018418Y - 可升降电流型ac-ac变换器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种可升降电流型AC－AC变换器，其特征在于：包括AC－DC整流电路、DC－DC变换器和DC－AC逆变器。DC－DC变换器的输入输出电感均工作在断续模式(DCM)，以获得高功率因数并降低储能电容的电压应力。该电流型AC－AC变换器可以在两级电路里实现功率因数校正、功率控制和低频逆变三种功能。减少了元器件，降低了成本，简化了电路，提高了效率。

Description

可升降电流型AC-AC变换器

技术领域

该实用新型涉及一种可升降电流型AC-AC变换器，具体地涉及一种可在两级电路里实现功率因数校正、功率控制和低频逆变的电流型变换器。

背景技术

传统的低频方波电子镇流器具有三级的电路结构，包括功率因数校正级、功率控制级和逆变级。虽然技术比较成熟，但存在电路结构复杂、成本高、效率低等缺点。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种可升降电流型AC-AC变换器，该变换器可以在两级的电路中实现功率因数校正、功率控制和低频逆变三种功能，以取代传统的三级电路结构。

本实用新型是这样构成的：包括AC-DC整流电路、DC-DC变换器和DC-AC逆变器；交流电压源连接到AC-DC整流电路的输入端，AC-DC整流电路的输出连接DC-DC变换器，DC-DC变换器输出端与DC-AC变换器相连；所述的DC-DC变换器是由BOOST升压变换器和BUCK降压变换器组成，其中BOOST变换器由储能电感L₁、开关管S₁、续流二极管D₂和储能电容C₁组成；BUCK变换器由开关管S₁、续流二极管D₂、滤波电感L₂和滤波电容C₂组成；AC-DC整流电路的正端输出通过储能电感L₁连接到续流二极管D₂正极，续流二极管D₂的负极连接到储能电容C₁的一端，储能电容C₁的另外一端连接到AC-DC整流电路的负端；在储能电感L₁和续流二极管D₂正极的连接点与AC-DC整流电路的负端之间连接一个开关管S₁；续流二极管D₂的负极又通过一个滤波电感L₂连接到滤波电容C₂的一端，滤波电容C₂的另一端连接到续流二极管D₂正极，滤波电容C₂的两端还并接有由开关管S₂、S₃、S₄、S₅构成的全桥DC-AC逆变器，逆变器接有一个负载R。

本实用新型利用开关集成原理，在DC-DC变换器中集成了BOOST变换器和BUCK变换器的功能，由于输入电感L₁的存在，降低了电磁干扰，减小EMI滤波器的体积；输出电感L₂的存在，提供限流输出，可用在电子镇流器中实现功率因数校正和输出功率控制，输出方波的电流信号，简化电子镇流器的电路拓扑，减少电路的元器件数目和驱动，提高整体效率。

附图说明

图1是本发明的电路图。

图2是DC-DC变换器电路图。

图3是DC-DC变换器在一个开关周期内t₀～t₁时刻工作模式示意图。

图4是DC-DC变换器主要波形图。

图5是输入电压电流波形图。

具体实施方式

本实用新型包括AC-DC整流电路、DC-DC变换器和DC-AC逆变器。交流电压源连接到AC-DC整流电路的输入端，AC-DC整流电路的输出连接DC-DC开关变换器，DC-DC变换器输出端与DC-AC变换器相连；所述的DC-DC变换器是由BOOST升压变换器和BUCK降压变换器组成，其中BOOST变换器由储能电感L₁、开关管S₁、续流二极管D₂和储能电容C₁组成；BUCK变换器由开关管S₁、续流二极管D₂、滤波电感L₂和滤波电容C₂组成；AC-DC整流电路的正端输出通过储能电感L₁连接到续流二极管D₂正极，续流二极管D₂的负极连接到储能电容C₁的一端，储能电容C₁的另外一端连接到AC-DC整流电路的负端；在储能电感L₁和续流二极管D₂正极的连接点与AC-DC整流电路的负端之间连接一个开关管S₁；续流二极管D₂的负极又通过一个滤波电感L₂连接到滤波电容C₂的一端，滤波电容C₂的另一端连接到续流二极管D₂正极，滤波电容C₂的两端还并接有由开关管S₂、S₃、S₄、S₅构成的全桥DC-AC逆变器，逆变器接有一个负载R。

上述BOOST变换器的电感电流在稳态时工作模式为恒占空比断续模式，以获得高功率因数；BUCK变换器工作模式为恒占空比断续模式，以降低储能电容C₁的电压应力。

所述的DC-AC逆变器是低频全桥开关变换器。

上述的DC-DC变换器，如图2所示，它的工作原理是这样的：电路在一个开关周期内分为以下4个工作状态，如图3。

模式(a)：在t₀～t₁时刻，开关管S₁导通，V_s通过D₁，S₁对电感L₁线性充电，电感L₁两端的电压V_L1＝V_s，电感电流i_L1线性上升；储能电容C₁通过开关管S₁、C₂&R_1amp对电感L₂线性充电，电感L₂两端的电压V_L2＝V_C1-V_C2，电感电流i_L2线性上升。到t₁时，开关管S₁关断，电路进入模式(b)。

模式(b)：在t₁～t₂时刻，开关管S₁关断，电感电流i_L1通过V_s，D₁，L₁，D₂，C₁续流，电感L₁两端的电压V_L1＝V_s-V_C1，电感电流i_L1线性下降；电感电流i_L2通过L₂，C₂&R_1amp，D₂续流，电感L₂两端的电压V_L2＝-V_C2，电感电流i_L2线性下降。当电感电流i_L1下降到零时，电路进入模式(c)。

模式(c)：在t₂～t₃时刻，开关管S₁继续保持关断，电感电流i_L1由于二极管D₁的反向偏置，继续保持为零。电感电流i_L2在负电压V_C2的作用下，继续线性下降。当电感电流i_L2下降到零时，电路进入模式(d)。

模式(d)：在t₃～t₄时刻，开关管S₁继续保持关断，电感电流i_L1、i_L2继续保持零电流状态。单独由电容C₂给负载供电，直到一个开关周期结束。

当模式(d)结束后，电路又进入模式(a)，如此反复工作。

在一个开关周期内，该DC-DC变换器的主要波形如图4所示。

本实用新型中所述的整流电路与DC-DC开关变换器一起实现功率因数校正和功率控制功能；全桥逆变器把直流电变为低频方波供负载使用。

为了实现功率因数校正的目的，BOOST变换器电感L₁在稳态时工作在恒占空比的断续模式(DCM)，图5为输入电压电流波形。

对恒功率输出的应用场合，在半个工频周期内，由于输入功率是瞬变的，其与输出功率之差需要用储能电容来暂存(如图4中的C₁)。

当BUCK变换器的电感L₂工作在连续模式(CCM)时，储能电容C₁的电压会随着输入电压和负载的变化而变化。在宽输入范围内，轻载时储能电容C₁的电压甚至会达到上千伏，即

$V_{C1}=\frac{R_L{V}_{\mathrm{in}}^2}{{2T}_L{L}_1{f}_s}{\∫}_0^{T_L}\frac{{\sin }^2\left(\mathrm{wt}\right)}{V_{C1}-V_{\mathrm{in}}\sin \left(\mathrm{wt}\right)}\mathrm{dt}$

为了解决储能电容电压应力过高的问题，BUCK变换器的电感L₂需工作在断续模式(DCM)，此时储能电容C₁电压为

$V_{C1}=\frac{(R_L{D}^2+{4L}_2{f}_s+\sqrt{R_L^2{D}^4+{8L}_2{f}_s{R}_L{D}^2})V_{\mathrm{in}}^2}{{4T}_L{L}_1{f}_s}{\∫}_0^{T_L}\frac{{\sin }^2\left(\mathrm{wt}\right)}{V_{C1}-V_{\mathrm{in}}\sin \left(\mathrm{wt}\right)}\mathrm{dt}$

DC-DC开关变换器的输出电压为

$V_o=\frac{{2V}_{C1}}{1+\sqrt{1+\frac{{8L}_2{f}_s}{R_L{D}^2}}}$

可见，当保持R_LD²恒定时，储能电容上的电压就会保持恒定。同时输出电压也保持恒定。由此可见，当BOOST变换器和BUCK变换器电感L₁、L₂均工作在DCM状态下，可以保持储能电容电压和输出电压的恒定。

Claims (3)

1.一种可升降电流型AC-AC变换器，其特征在于：包括AC-DC整流电路、DC-DC变换器和DC-AC逆变器；交流电压源连接到AC-DC整流电路的输入端，AC-DC整流电路的输出连接DC-DC变换器，DC-DC变换器输出端与DC-AC变换器相连；所述的DC-DC变换器是由BOOST升压变换器和BUCK降压变换器组成，其中BOOST变换器由储能电感L₁、开关管S₁、续流二极管D₂和储能电容C₁组成；BUCK变换器由开关管S₁、续流二极管D₂、滤波电感L₂和滤波电容C₂组成；AC-DC整流电路的正端输出通过储能电感L₁连接到续流二极管D₂正极，续流二极管D₂的负极连接到储能电容C₁的一端，储能电容C₁的另外一端连接到AC-DC整流电路的负端；在储能电感L₁和续流二极管D₂正极的连接点与AC-DC整流电路的负端之间连接一个开关管S₁；续流二极管D₂的负极又通过一个滤波电感L₂连接到滤波电容C₂的一端，滤波电容C₂的另一端连接到续流二极管D₂正极，滤波电容C₂的两端还并接有由开关管S₂、S₃、S₄、S₅构成的全桥DC-AC逆变器，逆变器接有一个负载R。

2.根据权利要求书1所述的可升降电流型AC-AC变换器，其特征在于：其中的BOOST变换器的电感电流在稳态时工作模式为恒占空比断续模式，以获得高功率因数；BUCK变换器工作模式为恒占空比断续模式，以降低储能电容C₁的电压应力。

3.根据权利要求书1所述的可升降电流型AC-AC变换器，其特征在于：所述的DC-AC逆变器是低频全桥开关变换器。

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