交流推挽逆變-矩陣整流的降壓電路的製作方法

2023-06-20 20:55:36 2

專利名稱：交流推挽逆變-矩陣整流的降壓電路的製作方法
技術領域：
本發明涉及的是一種電力電子技術領域的AC-DC變換器，具體是一種交流推挽逆變-矩陣整流的降壓電路，即用於交流變換的能量雙向流動的AC-DC變換器。
背景技術：
隨著我國智能電網的發展，太陽能發電、風力發電以及小水電等分布式發電系統在整個能源結構中的比例逐步上升。分布式電源容量小，分布廣，交直流電源兼有，且電源電壓或頻率具有較大的波動性。而體積小、重量輕、交流推挽逆變-矩陣整流的降壓電路可靈活地將各種分布式電源接入電力系統，具有良好的應用前景。能量雙向流動的電力電子變壓器具體包括兩個電壓變換環節，一個是高壓交流電輸入-低壓交流電輸出環節，另一個是低壓交流電壓輸入-低壓直流電壓輸出環節。為了完成高壓交流電壓輸入-低壓交流電輸出環節，可以採用交-交變換器，也可以採用交-直-交兩級變換器結構，其中交-直變換器部分可以獨立成為產品，輸出較低的直流電壓，後級可再配置常規的直-交變換器，最終輸出低壓交流電壓。交-交變換器主要有兩種類型直接交-交變換器和間接交-交變換器。直接交-交變換器包括矩陣變換器和周波變換器，間接交-交變換器包括交直交變換器。單相輸入的直接交-交變換器的電路簡單，控制容易，成本較低，但是其功能受限，調壓與變頻能力差，低壓穿越能力差，輸入功率因數低。如果不加以正確處理，工頻高壓交流電源就會出現功率因數不為1的情況，大量的諧波電流會產生多種危害，為此必須加以處置。三相輸入的直接交-交變換器的功能齊全，性能高，但是其電路複雜，控制繁瑣，成本高，低壓穿越能力差。單相、三相輸入的間接交-直-交變換器包括兩級結構前級AC-DC變換器和後級DC-AC變換器，其功能齊全，性能高，低壓穿越能力強，但是需要採用初級功率因數校正器來降低網側諧波電流。經過對現有適合高壓交流電壓輸入-低壓交流或低壓直流電壓輸出應用場合的交交變換器技術的檢索發現，「基於單相矩陣變換器的非接觸供電系統研究」(電力電子技術，2009年第11期43卷)和「基於矩陣變換器拓撲結構的調壓器的設計實現」(上海師範大學學報，2009年第1期38卷)中描述的單相-單相交-交變換器的功能和性能較差，輸出電壓的變頻調壓能力和輸入阻抗呈現非線性，很難推廣到三相-單相變換器；中國專利號 02139030. 4，專利名稱電力電子變壓器，描述的電力電子變壓器的拓撲和工作原理都極其複雜，應用難度非常高。為了完成低壓交流電壓輸入-低壓直流電壓輸出，同時實現阻抗變換，可以採用功率因數校正電路。傳統的有源PFC校正器採用不可控整流橋方案，輸出電壓頻率不可調，，不支持能量雙向流動。這種方案的局限性使得其無法緊隨技術的發展，不能滿足智能的要求，必將被淘汰。綜上所述，直接交-交變換器存在控制複雜和輸入功率因數低的不足，間接交-交變換器需要輸入功率因素校正來降低網側諧波幹擾，均不能適用於高壓交流輸入-低壓交流或低壓直流輸出地應用場合，傳統不可控整流橋PFC校正電路也無法滿足功率雙向流動的要求。隨著實踐應用的擴大，設計一種結構簡單、功能全面、高輸入功率因數，能量雙向流動的交-交變換器已成為本領域技術人員的當務之急。

發明內容
本發明針對現有技術的上述不足，提供一種交流推挽逆變-矩陣整流的降壓電路，使其實現交流-直流變換，具有線性輸入阻抗，解決低壓穿越問題，輸出直流電壓升降可調的功能，支持四象限工作，具有結構簡單，控制容易和成本低廉的優點。本發明是通過以下技術方案實現的，本發明包括高頻變換電路和阻抗變換電路， 其中高頻變換電路的輸出端與阻抗變換電路的輸入端相連。所述的高頻變換電路包括依次級聯的濾波電路、推挽電路、變壓器和矩陣變換器。所述的濾波電路為LC濾波器。所述的推挽電路的結構為兩組共射逆導開關組成的半橋式結構。這兩組共射逆導開關的開關信號相位相差180°。推挽電路的輸出端與變壓器兩端相連，所述的逆導開關的基極接受PWM脈衝控制信號。所述的矩陣變換器的兩個橋臂的中點分別通過變壓器連接推挽電路的輸出端，所述的逆導開關的基極接受PWM脈衝控制信號。所述的阻抗變換電路為輸出端並聯濾波電容的全控橋式整流電路，橋的兩個橋臂中點分別連接矩陣變換器的兩個交流輸出端，整流橋的輸出端輸出直流電壓。本發明通過以下方式進行工作濾波電路使工頻交流輸入電流平穩光滑，通過推挽電路使得高壓工頻交流輸入電壓變成高壓高頻交流電壓，中間由於推挽電路使用，避免了變壓器的勵磁飽和，然後經過變壓器變壓和矩陣變換器輸出低壓工頻交流電壓，此過程採用錯相180°的高頻PWM脈衝控制信號分別驅動矩陣變換器的開關，阻抗變換電路也就是整流器，輸入該工頻電壓信號，輸出穩定的直流電壓，同時產生單位輸入功率因數，反映到整個交流推挽逆變-矩陣整流的降壓電路的輸入端，呈現單位輸入功率因數特徵。阻抗變換電路採用輸入電流與輸出電壓雙閉環控制、單周期控制等算法，產生合適的PWM脈衝控制信號，驅動整流器的功率開關，獲得阻性輸入阻抗和穩定直流輸出電壓，形成交流推挽逆變-矩陣整流的降壓電路，為後級的DC-AC變換器供電，從而形成AC-AC變換器。本發明根據推挽電路可以避免變壓器勵磁飽和阻抗變換電路能夠獲得線性阻抗的原理，制定了推挽AC-DC變換器，可以實現靈活的可靠的調壓能力和獲得線性輸入阻抗， 克服交-交變換器電源與負載波動相互幹擾的不足，適合高壓輸入-低壓輸出變換器的各種應用場合。阻抗變換電路設計簡單，控制方便，可實現能量雙向流動，具有重要的應用價值。本發明能量雙向流動的AC-DC變換器具有設計結構新穎、通用性強等特徵，同時具有結構簡單、成本低等優點。


圖1為本發明實施例1的電路原理圖； 圖2為本發明實施例2的電路原理圖3為本發明實施例3的電路原理圖。
具體實施例方式下面對本發明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護範圍不限於下述的實施例。實施例1
如圖1所示，本實施例提供一種交流推挽逆變-矩陣整流的降壓電路，包括高頻變換電路和阻抗變換電路4，其中高頻變換電路的輸出端與阻抗變換電路4的輸入端相連。所述的高頻變換電路包括依次級聯的濾波電路Ll、C1，推挽電路1，變壓器2和矩陣變換器3。推挽電路1的輸出端通過變壓器2，矩陣變換器3與阻抗變換電路4的輸入端相連。所述的變壓器為初級帶中心抽頭的變壓器，原邊與副邊漏感低於10mH。所述的濾波電路為LC濾波器。所述的電感Ll為鐵粉芯材料，高壓型，感值為5mH。所述的電容Cl為交流電容，高壓型，2. 0mF/10kV。所述的推挽電路1是由兩個共射逆導開關BS1、BS2組成的半橋式電路，它們的基極接受PWM脈衝控制信號。所述的矩陣變換器3是由四個共射極的雙向開關BS3、BS4、BS5、BS6組成的橋式電路，每個雙向開關由兩個共射極的逆導開關組成，該雙向開關的基極接受PWM脈衝控制信號。所述的逆導開關為SiC功率MOSFET 15kV/5A/100° C，共射逆導開關的PWM驅動脈衝的佔空比為50%或根據閉環控制結果可調，其中BSl與BS2的驅動信號相位上交錯角度180°，開關頻率5kHz。所述的阻抗變換電路4包括整流電路S1、S2、S3、S4和與之並聯的輸出電解電容 E1，其中整流電路的兩個橋臂的中點分別通過矩陣變換器3，變壓器2連接推挽電路1的交流輸出端，其中左橋臂串聯升壓電感L2，整流電路的輸出端DCP和DCN輸出直流電壓。所述的升壓電感L2為非晶體材料，採用平面結構，感值為750mH。所述的整流電路是由四個逆導開關Si、S2、S3、S4組成的整流橋，該逆導開關的基極接受PWM脈衝控制信號。所述的逆導開關S1、S2、S3、S4為SiC功率MOSFET 15kV/5A/100° C，逆導開關Sl 和S4驅動脈衝相同，逆導開關S2和S3驅動脈衝相同，驅動脈衝的佔空比根據閉環控制結果可調，兩組信號相位上交錯角度180°，開關頻率35kHz。所述的電解電容El為鋁電解電容2200mF/450V。所述的變壓器Tl為高壓型，降壓型，變比為15:15:1，採用多個單繞組串聯以提升耐壓能力。本實施例中，輸入交流電壓為6. OkV，輸出直流電壓為380V，額定輸出功率為4kW。 所有元器件均採用高精度。實施例2
如圖2所示，本實施例涉及一種組合式線性AC-DC變換裝置，由三組相同結構的交流推挽逆變-矩陣整流的降壓電路組成，其中每個交流推挽逆變-矩陣整流的降壓電路的輸入端分別與三相交流電的任意兩相相連，該三組交流推挽逆變-矩陣整流的降壓電路的輸出端並聯且輸出直流電壓。本實施例能夠實現更大的功率輸出，同時具有三相線性輸入阻抗特性。實施例3
如圖3所示，本實施例涉及一種組合式線性AC-DC變換裝置，由三組相同結構的交流推挽逆變-矩陣整流的降壓電路組成，該三組交流推挽逆變-矩陣整流的降壓電路的輸入端串聯，輸出端串聯並輸出直流電壓。本實施例能夠實現高電壓輸入和更大的功率輸出。本發明交流推挽逆變-矩陣整流的降壓電路採用一種由兩個共射逆導開關組成的推挽電路和初級帶中心抽頭的變壓器，實現由高壓工頻交流電壓變換為低壓工頻電壓， 再採用阻抗變換電路實現由工頻低壓交流-低壓直流輸出，獲得穩定的直流電壓輸出，供後級直流-交流變換器使用，同時具有單位輸入功率因數，這種單位輸入功率因數又能通過高頻變換電路傳導到電網，從而獲得網側單位功率因數和無諧波電流汙染，另外支持四象限運行，可將負載側直流電壓反饋至交流電網，充分利用負載閒置電能，同時整個電路非常簡單，檢測電量和被控電量少，控制器設計也並不複雜，已獲得仿真分析和實驗初步驗證。而現有的集中方案的共同不足時電路級聯複雜，控制複雜，可行性較差；缺乏阻抗變換器。不能實現任一負載下的網側單位功率因數。輸入與輸出相互幹擾；難以構成三相工頻高壓交流電壓-低壓直流電壓的變換器；不支持能量雙向流動，不能滿足智能電網的發展要求。儘管本發明的內容已經通過上述優選實施例作了詳細介紹，但應當認識到上述的描述不應被認為是對本發明的限制。在本領域技術人員閱讀了上述內容後，對於本發明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發明的保護範圍應由所附的權利要求來限定。
權利要求
1.一種交流推挽逆變-矩陣整流的降壓電路，包括高頻變換電路和阻抗變換電路， 其中高頻變換電路的輸出端與阻抗變換電路的輸入端相連，其特徵在於所述的高頻變換電路包括依次級聯的濾波電路、推挽電路、變壓器以及矩陣變換器；所述的阻抗變換電路為輸入端串聯升壓電感、輸出端並聯濾波電容的全控型橋式整流電路，橋的兩個橋臂的中點分別連接矩陣變換器的兩個交流輸出端，整流橋的輸出端輸出直流電壓。
2.根據權利要求1所述的交流推挽逆變-矩陣整流的降壓電路，其特徵是，所述的濾波電路為LC濾波器。
3.根據權利要求1所述的交流推挽逆變-矩陣整流的降壓電路，其特徵是，所述的推挽電路的結構為兩組共射逆導開關組成的半橋式結構，兩個橋臂的中點分別與變壓器兩端相連，逆導開關的基極接受PWM脈衝控制信號，信號相位差180°。
4.根據權利要求1所述的交流推挽逆變-矩陣整流的降壓電路，其特徵是，所述的矩陣變換器的結構均為四組共射逆導開關組成的橋式結構，兩個橋臂的中點分別連接阻抗變換電路的兩個輸入端，逆導開關的基極接受PWM脈衝控制信號，對角線上的兩組開關驅動信號相同。
5.根據權利要求1所述的交流推挽逆變-矩陣整流的降壓電路，其特徵是，所述的變壓器為初級帶中心抽頭的變壓器。
6.一種組合式線性AC-DC變換裝置，其特徵在於，由三組權利要求1所述的交流推挽逆變-矩陣整流的降壓電路組成，其中每個交流推挽逆變-矩陣整流的降壓電路的輸入端分別與三相交流電的任意兩相相連，該三組交流推挽逆變-矩陣整流的降壓電路的輸出端並聯且輸出直流電壓。
7.一種組合式線性AC-DC變換裝置，其特徵在於，由三組權利要求1所述的交流推挽逆變-矩陣整流的降壓電路組成，該三組交流推挽逆變-矩陣整流的降壓電路的輸入端串聯，輸出端串聯並輸出直流電壓。
全文摘要
本發明公開一種電力電子技術領域的交流推挽逆變-矩陣整流的降壓電路，包括高頻變換電路和阻抗變換電路，所述的高頻變換電路包括依次級聯的濾波電路、推挽電路、初級帶中心抽頭的變壓器和矩陣變換器；阻抗變換電路為輸入端串聯升壓電感、輸出端並聯濾波電容的全控型橋式整流電路，橋的兩個橋臂的中點分別連接矩陣變換器的兩個交流輸出端，整流橋的輸出端輸出直流電壓。本發明輸出穩定的直流電壓，同時產生單位輸入功率因數，實現靈活的調壓能力和獲得線性輸入阻抗，克服電源與負載波動相互幹擾的不足，另外支持四象限運行，可將直流電壓反饋至交流電網，充分利用負載側閒置電能，設計構思新穎、通用性強，同時結構簡單、成本低。
文檔編號H02M3/337GK102291035SQ201110206920
公開日2011年12月21日 申請日期2011年7月22日 優先權日2011年7月22日
發明者李華武, 楊喜軍, 江劍鋒, 馬紅星 申請人:上海交通大學