專利名稱：交流斬波-全橋整流的ac-dc變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種電力電子變換技術(shù)領(lǐng)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(shù)：
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(zhuǎn)換；高頻變壓器的功能是隔離及變壓；控制器的功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)電能變換、電壓穩(wěn)定和電能質(zhì)量的控制。經(jīng)過對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?2139030. 4，
公開日2003. 03. 12. 記載了一種“電力電子變壓器”，該技術(shù)電力電子變壓器基于三相-三相矩陣變換器結(jié)構(gòu)， 中間環(huán)節(jié)非常復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)難度非常高，經(jīng)濟(jì)性較低，難以實(shí)現(xiàn)和推廣應(yīng)用。進(jìn)一步檢索發(fā)現(xiàn)，中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?009100258 . 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(shù)的電力電子變壓器功能齊全，但是結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，控制難度非常高，可行性較低，難以實(shí)現(xiàn)和獲得廣泛應(yīng)用。WANG JUN等，“智能電網(wǎng)技術(shù)，，· IEEE Trans, on Industry Electronics Magzine (工業(yè)電子雜志).2009年6月.記載了一種“基于傳統(tǒng)思想的電力電子變壓器技術(shù)”，該技術(shù)具有較強(qiáng)的功能，但是高壓端具有兩級(jí)變換器，結(jié)構(gòu)十分復(fù)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(jí)功率變換器以及聯(lián)系二者之間的高頻變壓器構(gòu)成。從電力電子變壓器的輸入輸出特性看，相當(dāng)于AC/AC變換。其基本工作原理為輸入的工頻電壓經(jīng)過原邊變換器調(diào)制為高頻交流電壓，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(zhuǎn)換為所要求的電壓。電力電子變壓器具有體積小、功率因數(shù)高、便于自動(dòng)監(jiān)控等優(yōu)點(diǎn)。傳統(tǒng)上，電力電子變壓器最終需要產(chǎn)生交流電壓輸出，但是其中間環(huán)節(jié)必須包含有直流環(huán)節(jié)。另外，隨著智能電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，在配電領(lǐng)域中勢(shì)必要出現(xiàn)一種高壓交流輸入-電壓直流輸出的應(yīng)用場(chǎng)合，直接將高壓交流電壓引入到社區(qū)，可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，而且直流輸出作為母線可以為各種逆變?cè)O(shè)備供電，包括各種變頻家電和汽車充電設(shè)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(tǒng)電力電子變壓器的一種類型，尚處于研究階段，需要更好的電路拓?fù)?、調(diào)制算法和控制理論的推出。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)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(wǎng)側(cè)將輸入工頻交流調(diào)制為高頻信號(hào)， 經(jīng)高頻變壓器耦合到二次側(cè)后，在二次側(cè)進(jìn)行降壓AC-DC變換，通過整流電路降頻還原成直流電壓，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)的單位輸入功率因數(shù)，抑制網(wǎng)側(cè)諧波電流，后級(jí)可串聯(lián)DC-AC電路，提供用戶所需的交流電壓。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明包括依次串聯(lián)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(zhuǎn)變?yōu)楦邏焊哳l脈沖交流電壓，并通過降壓變壓器降壓得到低壓高頻脈沖交流電壓；整流電路或阻抗變換電路對(duì)輸出的低壓高頻脈沖交流電壓進(jìn)行整流，得到穩(wěn)定的直流輸出和線性輸入阻抗，反射到高壓交流電網(wǎng)后，得到線性輸入阻抗和單位輸入功率因數(shù)。所述的降壓電路，包括依次相連的輸入濾波器、交流斬波器、用于降壓的高頻變壓器以及輸出濾波器。所述的用于降壓電路的輸入濾波器由一個(gè)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(gè)輸入端相連。所述的用于降壓電路的交流斬波器僅含有一個(gè)雙向開關(guān)，該雙向開關(guān)由兩個(gè)反向串聯(lián)的逆導(dǎo)開關(guān)組成，逆導(dǎo)型開關(guān)為基本的開關(guān)，由一只IGBT管和一只二極管反向并聯(lián)構(gòu)成，雙向開關(guān)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(jí)繞組的正極相連。 交流斬波器可采用常規(guī)50%占空比的控制脈沖驅(qū)動(dòng)，獲得高頻脈沖交流電壓。所述的用于降壓電路的高頻變壓器，其初級(jí)繞組的正極與交流斬波器的雙向開關(guān)的一端相連，負(fù)極與輸入濾波器的負(fù)極相連，次級(jí)繞組與輸出濾波器相連。所述的用于降壓電路的輸出濾波器為一個(gè)輸出濾波電容，跨接于高頻變壓器的輸出端，與整流電路的兩個(gè)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。所述的用于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(gè)輸入端相連。所述的用于整流電路的單相整流器由四只橋接的逆導(dǎo)型開關(guān)組成，形成兩個(gè)橋臂，其另一輸入端分別與高頻變壓器的輸出負(fù)極和輸出濾波器的負(fù)極相連。單相整流器可以采用所有單相整流器的調(diào)制算法和控制原理，也可以采用所有單相功率因數(shù)校正算法， 如電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)控制法、單周期算法、無輸入電壓檢測(cè)的功率因數(shù)校正算法等，得到穩(wěn)定直流輸出電壓和線性輸入阻抗。所述的用于整流電路的濾波電容為電解電容組，其正極與負(fù)極分別與單相整流器的輸出正極和負(fù)極相連。所述的整流電路也可以用常規(guī)阻抗變換電路代替，也可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)線性阻抗和單位輸入功率因數(shù)
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下效果本發(fā)明用基于SiC IGBT的電力電子變壓器代替?zhèn)鹘y(tǒng)配電變壓器，采用電力電子變換技術(shù)對(duì)能量進(jìn)行轉(zhuǎn)換與控制。網(wǎng)側(cè)功率變換環(huán)節(jié)只采用了兩個(gè)功率器件，簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)，降低制造成本，具有構(gòu)思新穎、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、系統(tǒng)體積小、環(huán)保效果好等優(yōu)點(diǎn)。


圖1為本發(fā)明的電路原理圖。圖2為交流斬波器中雙向開關(guān)BSl的示意圖。圖3為整流電路的替代電路。
圖4為三相輸入、輸出并聯(lián)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(lián)、輸出串聯(lián)的交流斬波-全橋整流的AC-DC變換器的示意圖。
具體實(shí)施例方式下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。實(shí)施例1
如圖1所示，本實(shí)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換為低壓直流電壓，并獲得線性輸入阻抗和線性網(wǎng)側(cè)阻抗，保證良好的網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)。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、用于降壓的高頻變壓器Tl以及輸出濾波器C2。所述的用于降壓電路的1輸入濾波器由一個(gè)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(gè)輸入端相連。如圖2所示，所述的用于降壓電路1的交流斬波器BSl僅含有一個(gè)雙向開關(guān)，該雙向開關(guān)由兩個(gè)反向串聯(lián)的逆導(dǎo)開關(guān)Sl和S2組成，逆導(dǎo)型開關(guān)為基本的開關(guān)，由一只IGBT 管和一只二極管反向并聯(lián)構(gòu)成，雙向開關(guān)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(jí)繞組的正極相連。交流斬波器可采用常規(guī)50%占空比的控制脈沖驅(qū)動(dòng)，獲得高頻脈沖交流電壓。所述的用于降壓電路1的高頻變壓器Tl，其初級(jí)繞組的正極與交流斬波器BSl雙向開關(guān)的一端相連，負(fù)極與輸入濾波器的負(fù)極相連，次級(jí)繞組與輸出濾波器C2相連。所述的用于降壓電路1的輸出濾波器C2為一個(gè)輸出濾波電容，跨接于高頻變壓器 Tl的輸出端，與整流電路2的兩個(gè)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。所述的用于整流電路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(gè)輸入端相連。所述的用于整流電路2的單相整流器(圖中SfS4所示)由四只橋接的逆導(dǎo)型開關(guān)組成，形成兩個(gè)橋臂，其另一輸入端分別與高頻變壓器Tl的輸出負(fù)極和輸出濾波器C2的負(fù)極相連。單相整流器可以采用所有單相整流器的調(diào)制算法和控制原理，也可以采用所有單相功率因數(shù)校正算法，如電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)控制法、單周期算法、無輸入電壓檢測(cè)的功率因數(shù)校正算法等，得到穩(wěn)定直流輸出電壓和線性輸入阻抗。所述的用于整流電路2的濾波電容C2為電解電容組，其正極與負(fù)極分別與單相整流器(圖中S1 S4所示)的輸出正極和負(fù)極相連。如圖3所示，所述的整流電路2也可以用常規(guī)阻抗變換電路代替，包括依次串聯(lián)的二極管不控整流器和升壓電路，也可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)線性阻抗和單位輸入功率因數(shù)。本實(shí)施例中所述的降壓電路1和整流電路2構(gòu)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(shí)現(xiàn)相比常規(guī)變壓器體積減少、重量變輕的目標(biāo)以及單位輸入功率因數(shù)、無諧波電流污染的目標(biāo)，從而大大減少無源器件的尺寸和重量。本實(shí)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(gòu)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(jí)電路需要承受IOkV電壓等級(jí)，高頻變壓器Tl后級(jí)電路需要承受400V電壓等級(jí)。實(shí)施例2
如圖4所示，三相輸入、輸出并聯(lián)的交流斬波-全橋整流的AC-DC變換器的示意圖。其中每個(gè)交流斬波-全橋整流的AC-DC變換器的輸入端分別于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變換器的輸出端并聯(lián)且輸出直流電壓。本實(shí)施例能夠避免變壓器勵(lì)磁飽和，支持更大的功率輸出。實(shí)施例3
如圖5所示，輸入串聯(lián)、輸出串聯(lián)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(jié)構(gòu)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(lián)，輸出端串聯(lián)并輸出直流電壓。本實(shí)施例能夠避免變壓器勵(lì)磁飽和，實(shí)現(xiàn)高電壓輸入和更大的功率輸出。本裝置采用降壓電路和整流電路后，可以使得電力電子變換器的網(wǎng)側(cè)工作在單位功率因數(shù)下，消除諧波電流對(duì)電網(wǎng)的污染，同時(shí)使得整流電路之前線路上各點(diǎn)的無功電流含量降至零點(diǎn)，有利于簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)、降低成本、增加效率和提高可靠性。同時(shí)由于降壓電路和整流電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制算法成熟，實(shí)現(xiàn)起來非常容易，便于產(chǎn)品化和推廣應(yīng)用。降壓電路引入了斬波變換結(jié)構(gòu)，可以采用常規(guī)50%占空比的斬波算法，實(shí)現(xiàn)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(gè)雙向開關(guān)，功率器件數(shù)量少，結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)，成本大大降低，控制也更加簡(jiǎn)便；整流電路采用單相整流器實(shí)現(xiàn)AC-DC變換，并可獲得負(fù)載側(cè)單位輸入功率因數(shù)，反射到高壓交流電網(wǎng)中，得到網(wǎng)側(cè)線性輸入阻抗和單位輸入功率因數(shù)。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(yīng)用場(chǎng)合。盡管本發(fā)明的內(nèi)容已經(jīng)通過上述優(yōu)選實(shí)施例作了詳細(xì)介紹，但應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到上述的描述不應(yīng)被認(rèn)為是對(duì)本發(fā)明的限制。在本領(lǐng)域技術(shù)人員閱讀了上述內(nèi)容后，對(duì)于本發(fā)明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)由所附的權(quán)利要求來限定。
權(quán)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(lián)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、用于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(zhuǎn)變?yōu)楦邏焊哳l脈沖交流電壓， 并通過降壓變壓器降壓得到低壓高頻脈沖交流電壓；整流電路或阻抗變換電路對(duì)輸出的低壓高頻脈沖交流電壓進(jìn)行整流，得到穩(wěn)定的直流輸出和線性輸入阻抗，反射到高壓交流電網(wǎng)后，得到線性輸入阻抗和單位輸入功率因數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的交流斬波-全橋整流的AC-DC變換器，其特征是，所述的用于降壓電路的輸入濾波器由一個(gè)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(gè)輸入端相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的交流斬波-全橋整流的AC-DC變換器，其特征是，所述的交流斬波器僅含有一個(gè)雙向開關(guān)，該雙向開關(guān)由兩個(gè)反向串聯(lián)的逆導(dǎo)開關(guān)組成，雙向開關(guān)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(jí)繞組的正極相連，交流斬波器采用 50%占空比的控制脈沖驅(qū)動(dòng)，獲得高頻脈沖交流電壓。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的交流斬波-全橋整流的AC-DC變換器，其特征是，所述的逆導(dǎo)開關(guān)由一只IGBT管和一只二極管反向并聯(lián)構(gòu)成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的交流斬波-全橋整流的AC-DC變換器，其特征是，所述的高頻變壓器，其初級(jí)繞組的正極與交流斬波器雙向開關(guān)的一端相連，負(fù)極與輸入濾波器的負(fù)極相連，次級(jí)繞組與輸出濾波器相連。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的交流斬波-全橋整流的AC-DC變換器，其特征是，所述的輸出濾波器為一個(gè)輸出濾波電容，跨接于高頻變壓器的輸出端，與整流電路的兩個(gè)輸入端相連。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的交流斬波-全橋整流的AC-DC變換器，其特征是，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(gè)輸入端相連。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的交流斬波-全橋整流的AC-DC變換器，其特征是，所述的單相整流器由四只橋接的逆導(dǎo)型開關(guān)組成，形成兩個(gè)橋臂，其另一輸入端分別與高頻變壓器的輸出負(fù)極和輸出濾波器的負(fù)極相連。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的交流斬波-全橋整流的AC-DC變換器，其特征是，所述的用于整流電路的濾波電容為電解電容組，其正極與負(fù)極分別與單相整流器的輸出正極和負(fù)極相連。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的交流斬波-全橋整流的AC-DC變換器，其特征是，所述的阻抗變換電路包括依次串聯(lián)的二極管不控整流器和升壓電路。
全文摘要
本發(fā)明公開一種電力電子變換技術(shù)領(lǐng)域的交流斬波-全橋整流的AC-DC變換器，包括依次串聯(lián)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(zhuǎn)變?yōu)楦邏焊哳l脈沖交流電壓，并通過降壓變壓器降壓得到低壓高頻脈沖交流電壓；整流電路或阻抗變換電路對(duì)輸出的低壓高頻脈沖交流電壓進(jìn)行整流，得到穩(wěn)定的直流輸出和線性輸入阻抗，反射到高壓交流電網(wǎng)后，得到線性輸入阻抗和單位輸入功率因數(shù)。本發(fā)明通過降壓電路和整流電路實(shí)現(xiàn)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、整體性能更加完善之優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H02M7/12GK102291014SQ20111020689
公開日2011年12月21日 申請(qǐng)日期2011年7月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月22日
發(fā)明者曹中圣, 李華武, 楊喜軍, 馬紅星 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)