專利名稱：單相和三相阻抗源升降壓交/交變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明所涉及的單相和三相阻抗源升降壓交/交(AC/AC)變換器，屬于電力電子變換器。
背景技術(shù)：
交流/交流變換技術(shù)廣泛應(yīng)用于工礦企業(yè)、科研院所、大學(xué)實驗室和日常生活中，如傳統(tǒng)的電磁變壓器、交流穩(wěn)壓器、交流調(diào)壓器等即為交流/交流變換技術(shù)的典型應(yīng)用。由于我國交流電網(wǎng)的電壓波動較大，特別是邊遠農(nóng)村地區(qū)，交流穩(wěn)壓電源已成為許多電子設(shè)備不可缺少的供電裝置。按照工作原理，交流穩(wěn)壓電源可分為參數(shù)調(diào)整(諧振)型、自耦(變比)調(diào)整型、大功率補償型和開關(guān)型等四種類型。
參數(shù)調(diào)整(諧振)型交流穩(wěn)壓電源(如附圖6所示)，是利用電路非線性元件對電路中的電壓和電流進行調(diào)整，從而實現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定。該類交流穩(wěn)壓電源具有電路簡單、穩(wěn)定精度高、抗干擾性強和輸入電壓范圍寬等優(yōu)點，但存在輸出波形THD高、電路元器件對工作頻率非常敏感、輸入功率因數(shù)很低、輸出容量難以做大等缺陷。
自耦(變比)調(diào)整型交流穩(wěn)壓器(如附圖7所示)，是以自耦變壓(調(diào)壓)器為基礎(chǔ)實現(xiàn)穩(wěn)壓功能的。該類交流穩(wěn)壓器具有電路簡單、輸入電壓范圍寬等優(yōu)點，但存在輸出波形THD高、穩(wěn)壓精度較低、體積重量大等缺陷。
大功率補償型交流穩(wěn)壓電源(如附圖8所示)，是把線性變壓器串聯(lián)在輸入端和輸出端的主電路中，控制該變壓器初級電壓的大小和極性，利用其次級電壓對輸入電壓進行補償，從而實現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定。該類交流穩(wěn)壓器具有輸出容量大、對電網(wǎng)適應(yīng)能力好、效率高等優(yōu)點，但存在輸出波形THD高、動態(tài)性能差等缺陷。
開關(guān)型交流穩(wěn)壓電源的典型電路結(jié)構(gòu)(如附圖9所示)，包括部分功率補償型和全功率變換型。部分功率補償型，將輸入電網(wǎng)電壓整流后得到脈動直流電壓，然后通過高頻PWM技術(shù)逆變?yōu)榻涣麟妷?，再?jīng)過相位跟蹤和轉(zhuǎn)換電路后獲得與輸入側(cè)同頻同相的補償電壓，加在輸入與輸出之間，從而實現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定。全功率變換型，即為交—直—交型AC/AC變換器的典型應(yīng)用。上述三種流穩(wěn)壓電源相比，開關(guān)型交流穩(wěn)壓電源具有穩(wěn)壓性能好、控制功能強等優(yōu)點，但其電路結(jié)構(gòu)與控制偏復(fù)雜、存在兩級功率變換、變換效率低、輸入側(cè)整流濾波環(huán)節(jié)對電網(wǎng)諧波污染嚴(yán)重、網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)偏低、僅能實現(xiàn)降壓變換、價格較高等缺點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種阻抗源升降壓交/交變換器，適合單相與三相交流/交流變換場合。該變換器可用于新型電子穩(wěn)壓器、電子調(diào)壓器與電子變壓器等領(lǐng)域，能夠克服現(xiàn)有交流穩(wěn)壓器、交流調(diào)壓器與交流變壓器存在的缺陷。應(yīng)用于交流穩(wěn)壓器場合時，在保留傳統(tǒng)開關(guān)型交流穩(wěn)壓電源穩(wěn)壓性能好、控制功能強等優(yōu)點的同時，還具有電路結(jié)構(gòu)與控制簡潔、單級功率變換、變換效率高、網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)高、可以實現(xiàn)升降壓變換、成本低、可靠性高等優(yōu)點。
本發(fā)明所提出的阻抗源升降壓交/交變換器，包括單相與三相兩種結(jié)構(gòu)。其中單相阻抗源升降壓交/交變換器，包括輸入與輸出共地的電壓型，輸入與輸出不共地的電壓型，輸入與輸出共地的電流型，輸入與輸出不共地的電流型四種電路。單相阻抗源升降壓交/交變換器由輸入單相交流電源，由兩個開關(guān)管反向串聯(lián)構(gòu)成的單相雙向電力電子開關(guān)S1，由兩個電感和兩個電容組成的X形阻抗源網(wǎng)絡(luò)，由兩個開關(guān)管反向串聯(lián)構(gòu)成的單相雙向電力電子開關(guān)S2，濾波電感，單相輸出濾波電容和單相交流負(fù)載組成。通過采樣輸入電壓和輸出電壓，可以得到開關(guān)管的極性選擇信號，在任何時刻有兩個開關(guān)管處于常通狀態(tài)，另兩個開關(guān)管處于高頻互補開關(guān)狀態(tài)，并帶有一定的死區(qū)時間，這樣在任何時刻都能實現(xiàn)開關(guān)管的安全換流，并能大幅降低開關(guān)管的開關(guān)損耗。
其中輸入與輸出共地的電壓型的單相阻抗源升降壓交/交變換器的具體組成是，包括輸入單相交流電源、第一互補單相雙向電力電子開關(guān)、X型阻抗源網(wǎng)絡(luò)、第二互補單相雙向電力電子開關(guān)及輸出濾波電感和輸出濾波電容，所述第一互補單相雙向電力電子開關(guān)由第一、第二兩個開關(guān)管的兩個源極相串聯(lián)構(gòu)成，其中第一開關(guān)管的漏極連于輸入單相交流電源的正輸出端，第二開關(guān)管的漏極連于X形阻抗源網(wǎng)絡(luò)中第一阻抗電感的正端；將該第一阻抗電感與第二阻抗電感交叉放置成“X”形，在兩個阻抗兩端正端之間連接第一阻抗電容，在兩阻抗兩個負(fù)端之間連接第二阻抗電容構(gòu)成X形阻抗源網(wǎng)絡(luò)；第二阻抗電感的負(fù)端連接輸入單相交流電源的負(fù)輸出端；由第三、第四兩個開關(guān)管的兩個源極相串聯(lián)構(gòu)成第二互補單相雙向電力電子開關(guān)，其中第三開關(guān)管的漏極與X形阻抗源網(wǎng)絡(luò)中的第二阻抗電感的正端相連，第四開關(guān)管的漏極與X形阻抗源網(wǎng)絡(luò)中的第一阻抗電感的負(fù)端相連；第一、第二、第三、第四的四個開關(guān)管各自并聯(lián)一個體二極管；輸出濾波電感與輸出濾波電容串聯(lián)后的串聯(lián)電路并聯(lián)在第一互補單相雙向電力電子開關(guān)中第二開關(guān)管漏極與輸入單相交流電源的負(fù)輸出端之間并接“地”，組成輸入與輸出共“地”的電壓型單相阻抗源升降壓交/交變換器。
三相阻抗源升降壓交/交變換器，包括電壓型與電流型兩種電路。三相阻抗源升降壓交/交變換器由輸入三相交流電源，由三個開關(guān)管構(gòu)成的三相雙向電力電子開關(guān)S1，由三個電感和三個電容組成的X形阻抗源網(wǎng)絡(luò)，由三個開關(guān)管構(gòu)成的三相雙向電力電子開關(guān)S2，三個電感，三相濾波電容和三相交流負(fù)載組成。通過采樣輸入電壓和阻抗源網(wǎng)絡(luò)中電容電壓(電壓型)或者采樣輸出電壓和阻抗源網(wǎng)絡(luò)中電容電壓(電流型)，可以得到開關(guān)管的極性選擇信號，在任何時刻有兩個開關(guān)管處于常通狀態(tài)，另四個開關(guān)管分為兩組，處于高頻互補開關(guān)狀態(tài)，并帶有一定的死區(qū)時間，這樣在任何時刻都能實現(xiàn)開關(guān)管的安全換流，并能大幅降低開關(guān)管的開關(guān)損耗。
其中電壓型三相阻抗源交/交變換器的具體組成是，包括輸入三相交流電源、第一互補三相雙向電力電子開關(guān)、X型阻抗源網(wǎng)絡(luò)、第二互補三相雙向電力電子開關(guān)、三相濾波電感、三相濾波電容，所述輸入三相交流電源包括A相、B相、C相的三個單相交流電源Va、Vb、Vc，該三個單相交流電源的三個負(fù)端相連；所述第一互補三相雙向電力電子開關(guān)包括A相、B相、C相的三個開關(guān)管Q1、Q2、Q3，該三個開關(guān)管各自并聯(lián)一個體二極管，每個開關(guān)管的漏極分別與一個輸入單相交流電源的正端相連，每個開關(guān)管的源極分別與X型阻抗源網(wǎng)絡(luò)中A、B、C三相的三個阻抗電感的正端相連；所述X型阻抗源網(wǎng)絡(luò)的組成是A相阻抗電感La的負(fù)端通過B相阻抗電容Cb與B相阻抗電感Lb的正端相連，B相阻抗電感Lb的負(fù)端通過C相阻抗電容Cc與C相阻抗電感Lc的正端相連，C相阻抗電感Lc的負(fù)端通過A相阻抗電容Ca與A相阻抗電感La的正端相連；所述第二互補三相雙向電力電子開關(guān)同樣包括A相、B相、C相的三個開關(guān)管Q4、Q5、Q6，該三個開關(guān)管Q4、Q5、Q6的源極相互串聯(lián)，其中A相開關(guān)管Q4的漏極同時連于X型阻抗源網(wǎng)絡(luò)中的A相阻抗電容Ca負(fù)端和A相濾波電感LA正端，B相開關(guān)管Q5的漏極同時連于X型阻抗源網(wǎng)絡(luò)中的B相阻抗電容Cb負(fù)端和B相濾波電感LA正端，C相開關(guān)管Q6的漏極同時連于X型阻抗源網(wǎng)絡(luò)中的C相阻抗電容Cc負(fù)端和C相濾波電感LC正端，所述三相濾波電容包括A相、B相和C相三個濾波電容CA、CB、CC，其中A相濾波電容CA的正端與A相濾波電感LA的負(fù)端相連，B相濾波電容CB的正端與B相濾波電感LB的負(fù)端相連，C相濾波電容CC的正端與C相濾波電感LC的負(fù)端相連，并將A相、B相、C相的三個濾波電容CA、CB、CC的三個負(fù)端相連。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的主要技術(shù)特點是單相阻抗源交/交變換器的輸出電壓范圍寬，可高于或低于輸入電壓，并且其輸出電壓可與輸入電壓同相或反相，其每個功率開關(guān)均工作于半個周期常通，半個周期高頻調(diào)制狀態(tài)，開關(guān)損耗較??；三相阻抗源交/交變換器的輸出電壓也可高于或低于輸入電壓，其每個功率開關(guān)均工作于1/3周期常通，2/3周期高頻調(diào)制狀態(tài)，也能減小開關(guān)損耗。單相與三相阻抗源交/交變換器同時還具有啟動沖擊電流小，諧波電流小，網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)高，單級功率變換，所用元器件數(shù)量少，導(dǎo)通損耗小，變換效率高，可靠性高等一系列優(yōu)點，可應(yīng)用于新一代交流電子穩(wěn)壓器、交流電子調(diào)壓器與交流電子變壓器等場合。
四

圖1、單相阻抗源升降壓交/交變換器電路拓?fù)渥濉?br> 圖2、三相阻抗源升降壓交/交變換器電路拓?fù)渥濉?br> 圖3、輸入與輸出共地的電壓型單相阻抗源升降壓交/交變換器工作模態(tài)圖。
圖4、電壓型三相阻抗源升降壓交/交變換器工作模態(tài)圖。
圖5、輸入與輸出共地的電壓型單相阻抗源升降壓交/交變換器實施效果。
圖6、參數(shù)調(diào)整(諧振)型交流穩(wěn)壓電源電路結(jié)構(gòu)圖。
圖7、自耦(變比)調(diào)整型交流穩(wěn)壓器電路結(jié)構(gòu)圖。
圖8、大功率補償型交流穩(wěn)壓電源電路結(jié)構(gòu)圖。
圖9、開關(guān)型交流穩(wěn)壓電源電路結(jié)構(gòu)圖。
上述附圖中的主要符號名稱Vi、單相交流電壓源。Q1～Q6、開關(guān)管。D1～D6、體二極管。L1、L2、單相阻抗源網(wǎng)絡(luò)中電感。iL1、iL2、電感L1、L2的電流。C1、C2、單相阻抗源網(wǎng)絡(luò)中電容。VC1、VC2、電容C1、C2電壓。Lf、電感。iLf，電感Lf的電流。Cf、輸出濾波電容。Vo、單相輸出電壓。R、負(fù)載。Va、Vb、Vc三相交流電壓源。La、Lb、Lc三相阻抗源網(wǎng)絡(luò)中電感。iLa、iLb、iLc、電感La、Lb、Lc的電流。Ca、Cb、Cc、三相阻抗源網(wǎng)絡(luò)中電容。VCa、VCb、VCc、電容Ca、Cb、Cc電壓。LA、LB、LC、電感。iLA、iLB、iLC、電感LA、LB、LC的電流。CA、CB、CC、三相輸出濾波電容。VA、VB、VC、三相輸出電壓。
五具體實施例方式
附圖1是單相阻抗源升降壓交/交變換器主電路拓?fù)渥濉?br> 附圖2是三相阻抗源升降壓交/交變換器主電路拓?fù)渥濉?br> 1.單相阻抗源升降壓交/交變換器的組成及工作原理附圖1(a)為輸入與輸出共地的電壓型單相阻抗源升降壓交/交變換器，該電路由輸入單相交流電源1，由兩個開關(guān)管反向串聯(lián)構(gòu)成的單相雙向電力電子開關(guān)S12，由兩個電感和兩個電容組成的X形阻抗源網(wǎng)絡(luò)3，由兩個開關(guān)管反向串聯(lián)構(gòu)成的單相雙向電力電子開關(guān)S24，濾波電感5，濾波電容和單相交流負(fù)載6組成。其中兩個開關(guān)管Q1、Q2共源極反向串聯(lián)，與其并聯(lián)在兩個開關(guān)管Q1、Q2上體二極管D1、D2構(gòu)成雙向開關(guān)S1；兩個開關(guān)管Q3、Q4共源極反向串聯(lián)，與其并聯(lián)在兩個開關(guān)管Q3、Q4上的體二極管D3、D4構(gòu)成雙向開關(guān)S2；兩個阻抗電感L1、L2和兩個阻抗電容C1、C2構(gòu)成單相阻抗源網(wǎng)絡(luò)；Lf為輸出濾波電感；Cf為輸出濾波電容；R為單相交流負(fù)載。
附圖1(b)為輸入與輸出不共地的電壓型單相阻抗源升降壓交/交變換器，該變換器與附圖1(a)的區(qū)別之處在于，將輸出濾波電感5與輸出濾波電容6串聯(lián)后的串聯(lián)電路并聯(lián)在第二互補單相雙向電力電子開關(guān)4中第三開關(guān)管Q3的漏極與第四開關(guān)管Q4的漏極之間并接“地”。
附圖1(c)為輸入與輸出共地的電流型單相阻抗源升降壓交/交變換器，該變換器與圖1(a)的區(qū)別之處在于，將輸出濾波電感5串聯(lián)在輸入單相交流電源1正輸出端與第一互補單相雙向電力電子開關(guān)2中第一開關(guān)管Q1漏極之間；輸出濾波電容6串聯(lián)在第一互補單相雙向電力電子開關(guān)2中第二開關(guān)管Q2漏極與輸入單相交流電源1負(fù)輸出端之間并接“地”。
附圖1(d)為輸入與輸出不共地的電流型單相阻抗源升降壓交/交變換器，該變換器與圖1(a)的區(qū)別之處在于，將輸出濾波電感5串聯(lián)在輸入單相交流電源1正輸出端與第一互補單相雙向電力電子開關(guān)2中第一開關(guān)管Q1漏極之間，輸出濾波電容6串聯(lián)在第二互補單相雙向電力電子開關(guān)4中第四開關(guān)管Q4漏極與X形阻抗源網(wǎng)絡(luò)(3)中的第一阻抗電感(L1)的負(fù)端之間并接“地”。
以附圖1(a)的輸入與輸出共地的電壓型單相阻抗源升降壓交/交變換器為例，敘述本發(fā)明變換器的工作原理(其它拓?fù)潆娐纷儞Q器與之類似)。
為敘述方便和簡化，將第一互補單相雙向電力電子開關(guān)2簡稱為雙向開關(guān)S1，將第二互補單相雙向電力電子開關(guān)4簡稱為雙向開關(guān)S2雙向開關(guān)S1與雙向開關(guān)S2工作于互補狀態(tài)，通過調(diào)節(jié)雙向開關(guān)S1的等效占空比就可得到所需的輸出電壓。該輸出電壓可高于或低于輸入電壓，并且根據(jù)工作區(qū)間的不同，輸出電壓可與輸入電壓同相或反相當(dāng)雙向開關(guān)S1等效占空比小于0.5時，輸出電壓與輸入電壓反相；當(dāng)雙向開關(guān)S1等效占空比大于0.5時，輸出電壓與輸入電壓同相。理論上雙向開關(guān)S1和雙向開關(guān)S2的切換必須瞬時和同時完成，否則因過壓或過流而損壞電路，但由于開關(guān)器件開通關(guān)斷的延時以及驅(qū)動電路的延時等影響，實際中雙向開關(guān)S1和雙向開關(guān)S2的切換不可能瞬時和同時完成，所以必須加以合適的換流策略該變換器才能正常工作。通過采樣輸入電壓Vi和輸出電壓Vo，當(dāng)V＝Vi-2Vo＞0時，令開關(guān)管Q2和開關(guān)管Q4一直開通，開關(guān)管Q1和開關(guān)管Q3互補導(dǎo)通并帶有一定的死區(qū)時間；當(dāng)電壓V＜0時，令開關(guān)管Q1和開關(guān)管Q3一直開通，開關(guān)管Q2和開關(guān)管Q4互補導(dǎo)通并帶有一定的死區(qū)時間。
下面以附圖1(a)為主電路結(jié)構(gòu)，以電壓V＞0時為例，結(jié)合附圖3來說明其具體工作原理及換流控制策略。電壓V＞0時，開關(guān)管Q2和開關(guān)管Q4一直開通，開關(guān)管Q1和開關(guān)管Q3互補導(dǎo)通并帶有一定的死區(qū)時間。
模態(tài)1[對應(yīng)于附圖3(a)]此時開關(guān)管Q1開通，當(dāng)電流iLf+iL1+iL2＞0時，電流經(jīng)開關(guān)管Q1，體二極管D2流通；當(dāng)電流iLf+iL1+iL2＜0時，電流經(jīng)開關(guān)管Q2，體二極管D1流通。
模態(tài)2[對應(yīng)于附圖3(b)和3(c)]此時開關(guān)管Q1關(guān)斷而開關(guān)管Q3還沒有開通，當(dāng)電流iLf+iL1+iL2＞0時，電流經(jīng)開關(guān)管Q4，體二極管D3流通[對應(yīng)附圖3(b)]；當(dāng)電流iLf+iL1+iL2＜0時，電流經(jīng)開關(guān)管Q2，體二極管D1流通[對應(yīng)于附圖3(c)]。
模態(tài)3[對應(yīng)于附圖3(d)]此時開關(guān)管Q3開通，當(dāng)電流iLf+iL1+iL2＞0時，電流經(jīng)開關(guān)管Q4，體二極管D3流通；當(dāng)電流iLf+iL1+iL2＜0時，電流經(jīng)開關(guān)管Q3，體二極管D4流通。
當(dāng)電壓V＜0時有類似的分析，此處略去。由以上分析可見，不管電感電流方向，在任何時刻都有通路，因此開關(guān)管上不存在電壓尖峰，也無需外加緩沖吸收電路即可實現(xiàn)開關(guān)管的安全換流，而且每個開關(guān)管有半個周期處于常通，開關(guān)損耗較小。
2.三相阻抗源升降壓交/交變換器工作原理及其換流控制策略以附圖2(a)電壓型三相阻抗源升降壓交/交變換器為例分析，其它拓?fù)渑c之類似。該電路由輸入三相交流電源1，三相雙向電力電子開關(guān)S12，由三個電感和三個電容組成的X形阻抗源網(wǎng)絡(luò)3，三相雙向電力電子開關(guān)S24，三相濾波電感5，三相濾波濾波電容6和三相交流負(fù)載7組成。開關(guān)管Q1、開關(guān)管Q2、開關(guān)管Q3及其三個體二極管D1、D2、D3構(gòu)成三相雙向開關(guān)S1，三個開關(guān)管Q1、Q2、Q3分別串接于輸入三相交流電源與三相阻抗源網(wǎng)絡(luò)之間；三個開關(guān)管Q4、Q5、Q6及其三個體二極管D4、D5、D6構(gòu)成三相雙向開關(guān)S2，三個開關(guān)管Q4、Q5、Q6源極連接在一起；三個阻抗電感La、Lb、Lc和三個阻抗電容Ca、Cb、Cc構(gòu)成三相阻抗源網(wǎng)絡(luò)；LA、LB、LC為三相濾波電感；CA、CB、CC為三相濾波電容；R為三相交流負(fù)載。該變換器工作原理及其換流控制策略如下三相雙向開關(guān)S1與三相雙向開關(guān)S2工作于互補狀態(tài)，通過調(diào)節(jié)三相雙向開關(guān)S1的等效占空比就可得到所需的輸出電壓。該輸出電壓可高于或低于輸入電壓。理論上三相雙向開關(guān)S1和S2的切換必須瞬時和同時完成，否則因過壓或過流而損壞電路，但由于開關(guān)器件開通關(guān)斷的延時以及驅(qū)動電路的延時等影響，實際中三相雙向開關(guān)S1和S2的切換不可能瞬時和同時完成，所以必須加以合適的換流策略該變換器才能正常工作。通過采樣三相輸入電壓Va、Vb、Vc和三相阻抗源網(wǎng)絡(luò)中電容電壓VCa、VCb、VCc，并定義三個電壓V1＝Va+VCa，V2＝Vb+VCb，V3＝Vc+VCc。當(dāng)電壓V1是三者中最小時，開關(guān)管Q1和開關(guān)管Q4常通，開關(guān)管Q2、Q3和開關(guān)管Q5、Q6互補導(dǎo)通，并帶有一定的死區(qū)時間；當(dāng)電壓V2是三者中最小時，開關(guān)管Q2和開關(guān)管Q5常通，開關(guān)管Q1、Q3和開關(guān)管Q4、Q6互補導(dǎo)通，并帶有一定的死區(qū)時間；當(dāng)電壓V3是三者中最小時，開關(guān)管Q3和開關(guān)管Q6常通，開關(guān)管Q1、Q2和開關(guān)管Q4、Q5互補導(dǎo)通，并帶有一定的死區(qū)時間。
下面以附圖2(a)為主電路結(jié)構(gòu)，以電壓V1為最小時為例，結(jié)合附圖4來說明其具體工作原理及換流控制策略。當(dāng)電壓V1為最小時，開關(guān)管Q1和開關(guān)管Q4一直開通，開關(guān)管Q2、Q3和開關(guān)管Q5、Q6互補導(dǎo)通，并帶有一定的死區(qū)時間。
模態(tài)1[對應(yīng)于附圖4(a)]此時開關(guān)管Q2和開關(guān)管Q3開通，電流根據(jù)其方向從Si或Di(i＝1，2，3)流通。
模態(tài)2[對應(yīng)于附圖4(b)~4(e)]此時開關(guān)管Q2和開關(guān)管Q3關(guān)斷而開關(guān)管Q5和開關(guān)管Q6還沒有開通，此時有四種情況1.如果電流iLB+iLb-iLa＞0并且電流iLC+iLc-iLb＞0，電流從體二極管D5，D6和開關(guān)管Q4流通，對應(yīng)于附圖4(b)；2.如果iLB+iLb-iLa＞0并且iLC+iLc-iLb＜0，電流從體二極管D3，體二極管D5，開關(guān)管Q1和開關(guān)管Q4流通，對應(yīng)于附圖4(c)；3.如果iLB+iLb-iLa＜0并且iLC+iLc-iLb＞0，電流從體二極管D2，D6，開關(guān)管Q1和開關(guān)管Q4流通，對應(yīng)于附圖4(d)；4.如果電流iLB+iLb-iLa＜0并且iLC+iLc-iLb＜0，可得出iLA+iLa-iLc＞0，電流從體二極管D2，體二極管D3，開關(guān)管Q1流通，對應(yīng)于附圖4(e).
模態(tài)3[對應(yīng)于附圖4(f)]此時開關(guān)管Q5和開關(guān)管Q6開通，電流根據(jù)其方向從Si或Di(i＝4，5，6)流通。
當(dāng)電壓V2最小或V3最小時有類似的分析，此處略去。由以上分析可見，不管電感電流方向，在任何時刻都有通路，因此開關(guān)管上不存在電壓尖峰，也無需外加緩沖吸收電路即可實現(xiàn)開關(guān)管的安全換流，而且每個開關(guān)管有1/3個周期處于常通，能減小開關(guān)損耗。
具體實施效果以附圖1(a)輸入與輸出共地的電壓型單相阻抗源升降壓交/交變換器為例，進行了原理試驗驗證，實驗結(jié)果如附圖5所示。附圖5(a)為輸入交流電壓110V/50Hz，單相雙向開關(guān)S1等效占空比為0.3，負(fù)載為阻性負(fù)載R＝25Ω時，輸入電壓(圖中上，100V/格)和輸出電壓(圖中下，100V/格)波形，從圖中可看出此時輸出處于降壓狀態(tài)，且輸出電壓與輸入電壓反相；附圖5(b)為輸入交流電壓72V/50Hz，單相雙向開關(guān)S1等效占空比為0.7，負(fù)載為阻性負(fù)載R＝25Ω時，輸入電壓(圖中上，100V/格)和輸出電壓(圖中下，100V/格)波形，從圖中可看出此時輸出處于升壓狀態(tài)，且輸出電壓與輸入電壓同相。
由以上描述可知，本發(fā)明提出的阻抗源升降壓交/交變換器，能夠?qū)崿F(xiàn)單相/三相交流/交流的直接升降壓變換，通過合適的換流控制策略，無需外加緩沖吸收電路即可實現(xiàn)開關(guān)管的安全換流，并且能減小開關(guān)損耗。由于輸入側(cè)取消了整流濾波環(huán)節(jié)，網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)能大大提高，網(wǎng)側(cè)諧波電流大大減少。這類變換器具有電路結(jié)構(gòu)與控制簡單、變換效率高、成本低、可靠性高等優(yōu)點，可應(yīng)用于新一代電子交流穩(wěn)壓器、電子交流調(diào)壓與電子交流變壓等場合，特別是應(yīng)用于電子交流穩(wěn)壓器場合時，在保留傳統(tǒng)開關(guān)型交流穩(wěn)壓電源穩(wěn)壓性能好、控制功能強等優(yōu)點的同時，還具有電路結(jié)構(gòu)與控制簡潔、單級功率變換、變換效率高、網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)高、可以實現(xiàn)升降壓變換、成本低、可靠性高等優(yōu)點。
權(quán)利要求
1.一種單相阻抗源升降壓交/交變換器，其特征在于包括輸入單相交流電源(1)、第一互補單相雙向電力電子開關(guān)(2)、X型阻抗源網(wǎng)絡(luò)(3)、第二互補單相雙向電力電子開關(guān)(4)及輸出濾波電感(5)和輸出濾波電容(6)，所述第一互補單相雙向電力電子開關(guān)(2)由第一、第二兩個開關(guān)管(Q1、Q2)的兩個源極相串聯(lián)構(gòu)成，其中第一開關(guān)管(Q1)的漏極連于輸入單相交流電源的正輸出端，第二開關(guān)管(Q2)的漏極連于X形阻抗源網(wǎng)絡(luò)(3)中第一阻抗電感(L1)的正端；將該第一阻抗電感(L1)與第二阻抗電感(L2)交叉放置成“X”形，在兩個阻抗電感(L1、L2)兩個正端之間連接第一阻抗電容(C1)，在兩阻抗電感(L1、L2)兩個負(fù)端之間連接第二阻抗電容(C2)構(gòu)成X形阻抗源網(wǎng)絡(luò)(3)；第二阻抗電感(L2)的負(fù)端連接輸入單相交流電源(1)的負(fù)輸出端；由第三、第四兩個開關(guān)管(Q3、Q4)的兩個源極相串聯(lián)構(gòu)成第二互補單相雙向電力電子開關(guān)(4)，其中第三開關(guān)管(Q3)的漏極與X形阻抗源網(wǎng)絡(luò)(3)中的第二阻抗電感(L2)的正端相連，第四開關(guān)管(Q4)的漏極與X形阻抗源網(wǎng)絡(luò)(3)中的第一阻抗電感(L1)的負(fù)端相連；第一、第二、第三、第四的四個開關(guān)管(Q1、Q2、Q3、Q4)各自并聯(lián)一個體二極管；輸出濾波電感(5)與輸出濾波電容(6)串聯(lián)后的串聯(lián)電路并聯(lián)在第一互補單相雙向電力電子開關(guān)(2)中第二開關(guān)管(Q2)漏極與輸入單相交流電源(1)負(fù)輸出端之間并接“地”，組成輸入與輸出共“地”的電壓型單相阻抗源升降壓交/交變換器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單相阻抗源升降壓交/交變換器，其特征在于輸出濾波電感(5)與輸出濾波電容(6)串聯(lián)后的串聯(lián)電路并聯(lián)在第二互補單相雙向電力電子開關(guān)(4)中第三開關(guān)管(Q3)漏極與第四開關(guān)管(Q4)漏極之間并接“地”，組成輸入與輸出不共“地”的電壓型單相阻抗源升降壓交/交變換器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單相阻抗源升降壓交/交變換器，其特征在于濾波電感(5)串聯(lián)在輸入單相交流電源(1)正輸出端與第一互補單相雙向電力電子開關(guān)(2)中第一開關(guān)管(Q1)漏極之間；輸出濾波電容(6)串聯(lián)在第一互補單相雙向電力電子開關(guān)(2)中第二開關(guān)管(Q2)漏極與輸入單相交流電源(1)負(fù)輸出端之間并接“地”，組成輸入與輸出共“地”的電流型單相阻抗源升降壓交/交變換器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單相阻抗源升降壓交/交變換器，其特征在于輸出濾波電感(5)串聯(lián)在輸入單相交流電源(1)正輸出端與第一互補單相雙向電力電子開關(guān)(2)中第一開關(guān)管(Q1)漏極之間；輸出濾波電容(6)串聯(lián)在第二互補單相雙向電力電子開關(guān)(4)中第四開關(guān)管(Q4)漏極與X形阻抗源網(wǎng)絡(luò)(3)中的第一阻抗電感(L1)的負(fù)端之間并接“地”，組成輸入與輸出不共“地”的電流型單相阻抗源升降壓交/交變換器。
5.一種三相阻抗源升降壓交/交變換器，其特征在于包括輸入三相交流電源(1)、第一互補三相雙向電力電子開關(guān)(2)、X型阻抗源網(wǎng)絡(luò)(3)、第二互補三相雙向電力電子開關(guān)(4)、三相濾波電感(5)、三相濾波電容(6)，所述輸入三相交流電源(1)包括A相、B相、C相的三個單相交流電源(Va、Vb、Vc)，該三個單相交流電源的三個負(fù)端相連；所述第一互補三相雙向電力電子開關(guān)(2)包括A相、B相、C相的三個開關(guān)管(Q1、Q2、Q3)，該三個開關(guān)管各自并聯(lián)一個體二極管，每個開關(guān)管的漏極分別與一個輸入單相交流電源的正端相連，每個開關(guān)管的源極分別與X型阻抗源網(wǎng)絡(luò)(3)中A、B、C三相的三個阻抗電感的正端相連；所述X型阻抗源網(wǎng)絡(luò)(3)的組成是A相阻抗電感(La)的負(fù)端通過B相阻抗電容(Cb)與B相阻抗電感(Lb)的正端相連，B相阻抗電感(Lb)的負(fù)端通過C相阻抗電容(Cc)與C相阻抗電感(Lc)的正端相連，C相阻抗電感(Lc)的負(fù)端通過A相阻抗電容(Ca)與A相阻抗電感(La)的正端相連；所述第二互補三相雙向電力電子開關(guān)(4)同樣包括A相、B相、C相的三個開關(guān)管(Q4、Q5、Q6)，該三個開關(guān)管(Q4、Q5、Q6)的源極相互串聯(lián)，其中A相開關(guān)管(Q4)的漏極同時連于X型阻抗源網(wǎng)絡(luò)(3)中的A相阻抗電容(Ca)負(fù)端和A相濾波電感(LA)正端，B相開關(guān)管(Q5)的漏極同時連于X型阻抗源網(wǎng)絡(luò)(3)中的B相阻抗電容(Cb)負(fù)端和B相濾波電感(LA)正端，C相開關(guān)管(Q6)的漏極同時連于X型阻抗源網(wǎng)絡(luò)(3)中的C相阻抗電容(Cc)負(fù)端和C相濾波電感(LC)正端，所述三相濾波電容(6)包括A相、B相和C相三個濾波電容(CA、CB、CC)，其中A相濾波電容(CA)的正端與A相濾波電感(LA)的負(fù)端相連，B相濾波電容(CB)的正端與B相濾波電感(LB)的負(fù)端相連，C相濾波電容(CC)的正端與C相濾波電感(LC)的負(fù)端相連，并將A相、B相、C相的三個濾波電容(CA、CB、CC)的三個負(fù)端相連。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的三相阻抗源升降壓交/交變換器，其特征在于所述的三相濾波電感(5)的A相、B相、C相的三個濾波電感(LA、LB、LC)分別串聯(lián)在相對應(yīng)的A相、B相、C相三個交流電源(Va、Vb、Vc)的正端與相對應(yīng)的第一互補三相雙向電力電子開關(guān)(2)中的A相、B相、C相的三個開關(guān)管(Q1、Q2、Q3)的漏極之間；所述三相濾波電容(6)的A相、B相、C相的三個濾波電容(CA、CB、CC)的正端分別連于相對應(yīng)的第二互補三相雙向電力電子開關(guān)(4)中的A相、B相、C相的三個開關(guān)管(Q4、Q5、Q6)的漏極，并將A相、B相、C相的三個濾波電容(CA、CB、CC)的三個負(fù)端相互連接，構(gòu)成電流型三相阻抗源升降壓交/交變換器。
全文摘要
一種單相和三相阻抗源升降壓交/交變換器，屬電力電子變換器。該變換器包括單相與三相兩種結(jié)構(gòu)單相結(jié)構(gòu)，包括輸入與輸出共地或不共地的電壓型和電流型四種電路拓?fù)?；三相結(jié)構(gòu)，包括電壓型與電流型兩種電路拓?fù)?。通過采樣輸入、輸出電壓和阻抗源網(wǎng)絡(luò)中電容電壓，得到開關(guān)管的極性選擇信號，實現(xiàn)開關(guān)管的安全換流，且能減少開關(guān)損耗，提高變換效率。單相與三相阻抗源交/交變換器具有可升降壓，啟動沖擊電流小，諧波電流小，網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)高，所用元器件數(shù)量少，導(dǎo)通與開關(guān)損耗小，變換效率高，可靠性高等一系列優(yōu)點，用于交流電子穩(wěn)壓器、交流電子調(diào)壓器與交流電子變壓器等場合。
文檔編號H02M5/02GK101030734SQ20061016168
公開日2007年9月5日 申請日期2006年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月31日
發(fā)明者湯雨, 謝少軍, 張超華 申請人:南京航空航天大學(xué)