交流斬波-全橋整流的ac-dc變換器的製作方法
2023-06-14 14:44:51 1
專利名稱：交流斬波-全橋整流的ac-dc變換器的製作方法
技術領域：
本發明涉及的是一種電力電子變換技術領域的裝置，具體是一種交流斬波-全橋整流的AC-DC變換器。
背景技術：
電力電子變壓器主要由電力電子變換器、高頻變壓器和控制器等組成。其中包括 IGBT或IGCT等高頻大功率電力電子器件的電力電子變換器是電力電子變壓器的核心，其功能是完成電能的頻率、幅值轉換；高頻變壓器的功能是隔離及變壓；控制器的功能是實現對電能變換、電壓穩定和電能質量的控制。經過對現有技術的檢索發現，中國專利申請號02139030. 4，
公開日2003. 03. 12. 記載了一種「電力電子變壓器」，該技術電力電子變壓器基於三相-三相矩陣變換器結構， 中間環節非常複雜，實現難度非常高，經濟性較低，難以實現和推廣應用。進一步檢索發現，中國專利申請號2009100258 . 3，
公開日2009. 11.04.記載了一種「多功能電力電子變壓器」，該技術的電力電子變壓器功能齊全，但是結構十分複雜，控制難度非常高，可行性較低，難以實現和獲得廣泛應用。WANG JUN等，「智能電網技術，，· IEEE Trans, on Industry Electronics Magzine (工業電子雜誌).2009年6月.記載了一種「基於傳統思想的電力電子變壓器技術」，該技術具有較強的功能，但是高壓端具有兩級變換器，結構十分複雜，控制難度非常高，可行性較低。電力電子變壓器主要由初、次級功率變換器以及聯繫二者之間的高頻變壓器構成。從電力電子變壓器的輸入輸出特性看，相當於AC/AC變換。其基本工作原理為輸入的工頻電壓經過原邊變換器調製為高頻交流電壓，通過高頻變壓器耦合至副邊，再通過副邊的功率變換器將其轉換為所要求的電壓。電力電子變壓器具有體積小、功率因數高、便於自動監控等優點。傳統上，電力電子變壓器最終需要產生交流電壓輸出，但是其中間環節必須包含有直流環節。另外，隨著智能電網技術的發展，在配電領域中勢必要出現一種高壓交流輸入-電壓直流輸出的應用場合，直接將高壓交流電壓引入到社區，可以進一步實現節能降耗，而且直流輸出作為母線可以為各種逆變設備供電，包括各種變頻家電和汽車充電設備， 也可以作為公共接口而接入各種新型能源。直流輸出的電力電子變壓器作為傳統電力電子變壓器的一種類型，尚處於研究階段，需要更好的電路拓撲、調製算法和控制理論的推出。
發明內容
本發明針對現有技術存在的上述不足和直流輸出電力電子變壓器的具體情況，提供一種交流斬波-全橋整流的AC-DC變換器，通過在網側將輸入工頻交流調製為高頻信號， 經高頻變壓器耦合到二次側後，在二次側進行降壓AC-DC變換，通過整流電路降頻還原成直流電壓，實現網側的單位輸入功率因數，抑制網側諧波電流，後級可串聯DC-AC電路，提供用戶所需的交流電壓。本發明是通過以下技術方案實現的，本發明包括依次串聯的降壓電路和整流電路或阻抗變換電路，其中降壓電路通過交流斬波器將高壓工頻交流電壓轉變為高壓高頻脈衝交流電壓，並通過降壓變壓器降壓得到低壓高頻脈衝交流電壓；整流電路或阻抗變換電路對輸出的低壓高頻脈衝交流電壓進行整流，得到穩定的直流輸出和線性輸入阻抗，反射到高壓交流電網後，得到線性輸入阻抗和單位輸入功率因數。所述的降壓電路，包括依次相連的輸入濾波器、交流斬波器、用於降壓的高頻變壓器以及輸出濾波器。所述的用於降壓電路的輸入濾波器由一個LC濾波器組成，輸入端與交流電源相連，輸出端與交流斬波器的兩個輸入端相連。所述的用於降壓電路的交流斬波器僅含有一個雙向開關，該雙向開關由兩個反向串聯的逆導開關組成，逆導型開關為基本的開關，由一隻IGBT管和一隻二極體反向並聯構成，雙向開關的一端與輸入濾波器的正極相連，另一端與高頻變壓器初級繞組的正極相連。 交流斬波器可採用常規50%佔空比的控制脈衝驅動，獲得高頻脈衝交流電壓。所述的用於降壓電路的高頻變壓器，其初級繞組的正極與交流斬波器的雙向開關的一端相連，負極與輸入濾波器的負極相連，次級繞組與輸出濾波器相連。所述的用於降壓電路的輸出濾波器為一個輸出濾波電容，跨接於高頻變壓器的輸出端，與整流電路的兩個輸入端相連。所述的整流電路，包括依次相連的升壓電感、單相整流器和濾波電容。所述的用於整流電路的升壓電感為單只電感，一端分別與高頻變壓器的輸出正極和輸出濾波器的正極相連，另一端與單相整流器的一個輸入端相連。所述的用於整流電路的單相整流器由四隻橋接的逆導型開關組成，形成兩個橋臂，其另一輸入端分別與高頻變壓器的輸出負極和輸出濾波器的負極相連。單相整流器可以採用所有單相整流器的調製算法和控制原理，也可以採用所有單相功率因數校正算法， 如電壓外環電流內環控制法、單周期算法、無輸入電壓檢測的功率因數校正算法等，得到穩定直流輸出電壓和線性輸入阻抗。所述的用於整流電路的濾波電容為電解電容組，其正極與負極分別與單相整流器的輸出正極和負極相連。所述的整流電路也可以用常規阻抗變換電路代替，也可以實現網側線性阻抗和單位輸入功率因數
與現有技術相比，本發明具有以下效果本發明用基於SiC IGBT的電力電子變壓器代替傳統配電變壓器，採用電力電子變換技術對能量進行轉換與控制。網側功率變換環節只採用了兩個功率器件，簡化電路結構，降低製造成本，具有構思新穎、經濟實用、系統體積小、環保效果好等優點。
圖1為本發明的電路原理圖。圖2為交流斬波器中雙向開關BSl的示意圖。圖3為整流電路的替代電路。
圖4為三相輸入、輸出並聯的交流斬波-全橋整流的AC-DC變換器的示意圖。圖5為輸入串聯、輸出串聯的交流斬波-全橋整流的AC-DC變換器的示意圖。
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，本實施例包括降壓電路1和與之相連的整流電路2，其中降壓電路1中將高壓工頻交流電壓轉換成低壓高頻交流電壓。整流電路2中，將低壓高頻交流電壓轉換為低壓直流電壓，並獲得線性輸入阻抗和線性網側阻抗，保證良好的網側功率因數。所述的降壓電路1，包括依次相連的輸入濾波器、交流斬波器BS1、用於降壓的高頻變壓器Tl以及輸出濾波器C2。所述的用於降壓電路的1輸入濾波器由一個LC濾波器組成(圖中Ll與Cl所示)， 輸入端與交流電源相連，輸出端與交流斬波器BSl的兩個輸入端相連。如圖2所示，所述的用於降壓電路1的交流斬波器BSl僅含有一個雙向開關，該雙向開關由兩個反向串聯的逆導開關Sl和S2組成，逆導型開關為基本的開關，由一隻IGBT 管和一隻二極體反向並聯構成，雙向開關的一端與輸入濾波器的正極相連，另一端與高頻變壓器Tl初級繞組的正極相連。交流斬波器可採用常規50%佔空比的控制脈衝驅動，獲得高頻脈衝交流電壓。所述的用於降壓電路1的高頻變壓器Tl，其初級繞組的正極與交流斬波器BSl雙向開關的一端相連，負極與輸入濾波器的負極相連，次級繞組與輸出濾波器C2相連。所述的用於降壓電路1的輸出濾波器C2為一個輸出濾波電容，跨接於高頻變壓器 Tl的輸出端，與整流電路2的兩個輸入端相連。所述的整流電路2，包括依次相連的升壓電感L2、單相整流器(圖中Sf S4所示)和濾波電容El。所述的用於整流電路2的升壓電感L2為單只電感，一端分別與高頻變壓器Tl的輸出正極和輸出濾波器C2的正極相連，另一端與單相整流器(圖中SfS4所示)的一個輸入端相連。所述的用於整流電路2的單相整流器(圖中SfS4所示)由四隻橋接的逆導型開關組成，形成兩個橋臂，其另一輸入端分別與高頻變壓器Tl的輸出負極和輸出濾波器C2的負極相連。單相整流器可以採用所有單相整流器的調製算法和控制原理，也可以採用所有單相功率因數校正算法，如電壓外環電流內環控制法、單周期算法、無輸入電壓檢測的功率因數校正算法等，得到穩定直流輸出電壓和線性輸入阻抗。所述的用於整流電路2的濾波電容C2為電解電容組，其正極與負極分別與單相整流器(圖中S1 S4所示)的輸出正極和負極相連。如圖3所示，所述的整流電路2也可以用常規阻抗變換電路代替，包括依次串聯的二極體不控整流器和升壓電路，也可以實現網側線性阻抗和單位輸入功率因數。本實施例中所述的降壓電路1和整流電路2構成了電力電子變壓器，其作用是通過提升高頻變壓器Tl的AC/AC變換工作頻率，來實現相比常規變壓器體積減少、重量變輕的目標以及單位輸入功率因數、無諧波電流汙染的目標，從而大大減少無源器件的尺寸和重量。本實例中單相交流輸入電壓為10kV，交流斬波器BSl、高頻變壓器Tl以及整流電路等構成的AC-DC變換器，將IOkV交流電壓變換為直流400V電壓，高頻變壓器Tl以及前級電路需要承受IOkV電壓等級，高頻變壓器Tl後級電路需要承受400V電壓等級。實施例2
如圖4所示，三相輸入、輸出並聯的交流斬波-全橋整流的AC-DC變換器的示意圖。其中每個交流斬波-全橋整流的AC-DC變換器的輸入端分別於三相交流電的任意兩相相連， 該三組交流斬波-全橋整流的AC-DC變換器的輸出端並聯且輸出直流電壓。本實施例能夠避免變壓器勵磁飽和，支持更大的功率輸出。實施例3
如圖5所示，輸入串聯、輸出串聯的交流斬波-全橋整流的AC-DC變換器的示意圖。由三組相同結構的交流斬波-全橋整流的AC-DC變換器組成，該三組交流斬波-全橋整流的 AC-DC變換器的輸入端串聯，輸出端串聯並輸出直流電壓。本實施例能夠避免變壓器勵磁飽和，實現高電壓輸入和更大的功率輸出。本裝置採用降壓電路和整流電路後，可以使得電力電子變換器的網側工作在單位功率因數下，消除諧波電流對電網的汙染，同時使得整流電路之前線路上各點的無功電流含量降至零點，有利於簡化電路設計、降低成本、增加效率和提高可靠性。同時由於降壓電路和整流電路結構簡單，控制算法成熟，實現起來非常容易，便於產品化和推廣應用。降壓電路引入了斬波變換結構，可以採用常規50%佔空比的斬波算法，實現高壓工頻交流電壓到高壓高頻交流電壓變換，電路僅含有一個雙向開關，功率器件數量少，結構精簡，成本大大降低，控制也更加簡便；整流電路採用單相整流器實現AC-DC變換，並可獲得負載側單位輸入功率因數，反射到高壓交流電網中，得到網側線性輸入阻抗和單位輸入功率因數。本例電力電子變換器還可以推廣到三相高壓交流電壓輸入-低壓直流輸出的應用場合。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
1.一種交流斬波-全橋整流的AC-DC變換器，包括依次串聯的降壓電路和整流電路或阻抗變換電路，所述的降壓電路包括依次相連的輸入濾波器、交流斬波器、用於降壓的高頻變壓器以及輸出濾波器；所述的整流電路包括依次相連的升壓電感、單相整流器和濾波電容；其中降壓電路通過交流斬波器將高壓工頻交流電壓轉變為高壓高頻脈衝交流電壓， 並通過降壓變壓器降壓得到低壓高頻脈衝交流電壓；整流電路或阻抗變換電路對輸出的低壓高頻脈衝交流電壓進行整流，得到穩定的直流輸出和線性輸入阻抗，反射到高壓交流電網後，得到線性輸入阻抗和單位輸入功率因數。
2.根據權利要求1所述的交流斬波-全橋整流的AC-DC變換器，其特徵是，所述的用於降壓電路的輸入濾波器由一個LC濾波器組成，輸入端與交流電源相連，輸出端與交流斬波器的兩個輸入端相連。
3.根據權利要求1所述的交流斬波-全橋整流的AC-DC變換器，其特徵是，所述的交流斬波器僅含有一個雙向開關，該雙向開關由兩個反向串聯的逆導開關組成，雙向開關的一端與輸入濾波器的正極相連，另一端與高頻變壓器初級繞組的正極相連，交流斬波器採用 50%佔空比的控制脈衝驅動，獲得高頻脈衝交流電壓。
4.根據權利要求3所述的交流斬波-全橋整流的AC-DC變換器，其特徵是，所述的逆導開關由一隻IGBT管和一隻二極體反向並聯構成。
5.根據權利要求1所述的交流斬波-全橋整流的AC-DC變換器，其特徵是，所述的高頻變壓器，其初級繞組的正極與交流斬波器雙向開關的一端相連，負極與輸入濾波器的負極相連，次級繞組與輸出濾波器相連。
6.根據權利要求1所述的交流斬波-全橋整流的AC-DC變換器，其特徵是，所述的輸出濾波器為一個輸出濾波電容，跨接於高頻變壓器的輸出端，與整流電路的兩個輸入端相連。
7.根據權利要求1所述的交流斬波-全橋整流的AC-DC變換器，其特徵是，所述的升壓電感為單只電感，一端分別與高頻變壓器的輸出正極和輸出濾波器的正極相連，另一端與單相整流器的一個輸入端相連。
8.根據權利要求1所述的交流斬波-全橋整流的AC-DC變換器，其特徵是，所述的單相整流器由四隻橋接的逆導型開關組成，形成兩個橋臂，其另一輸入端分別與高頻變壓器的輸出負極和輸出濾波器的負極相連。
9.根據權利要求1所述的交流斬波-全橋整流的AC-DC變換器，其特徵是，所述的用於整流電路的濾波電容為電解電容組，其正極與負極分別與單相整流器的輸出正極和負極相連。
10.根據權利要求1所述的交流斬波-全橋整流的AC-DC變換器，其特徵是，所述的阻抗變換電路包括依次串聯的二極體不控整流器和升壓電路。
全文摘要
本發明公開一種電力電子變換技術領域的交流斬波-全橋整流的AC-DC變換器，包括依次串聯的降壓電路和整流電路或阻抗變換電路，降壓電路通過交流斬波器將高壓工頻交流電壓轉變為高壓高頻脈衝交流電壓，並通過降壓變壓器降壓得到低壓高頻脈衝交流電壓；整流電路或阻抗變換電路對輸出的低壓高頻脈衝交流電壓進行整流，得到穩定的直流輸出和線性輸入阻抗，反射到高壓交流電網後，得到線性輸入阻抗和單位輸入功率因數。本發明通過降壓電路和整流電路實現高壓交流電壓到低壓直流電壓的變換，具有功率器件少、總體結構簡單、整體性能更加完善之優點。
文檔編號H02M7/12GK102291014SQ20111020689
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
發明者曹中聖, 李華武, 楊喜軍, 馬紅星 申請人:上海交通大學