包含(變壓器)電氣隔離的變流器電路結(jié)構(gòu)和工作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種包含(變壓器)電氣隔離的變流器電路結(jié)構(gòu)和工作方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0002]本發(fā)明提供了一種包含(變壓器)電氣隔離的變流器電路結(jié)構(gòu)和工作方法，其包括:
[0003]第一個(gè)輸入輸出端口；第二個(gè)輸入輸出端口 ；一個(gè)雙向變流器，其包含一個(gè)交流輸入輸出端口和一個(gè)直流輸入輸出端口 ；該雙向變流器的直流輸出端口與該變流器電路結(jié)構(gòu)的第二個(gè)輸入輸出端口連接。
[0004]該項(xiàng)發(fā)明申請(qǐng)所涉及的變流器電路包含一個(gè)雙向變流器，用于完成交流，特別是多相交流(如三相交流)，與直流的雙向轉(zhuǎn)換(即整流模式下交流轉(zhuǎn)直流，逆變模式下直流轉(zhuǎn)交流)。交流與直流之間，通過變壓器實(shí)現(xiàn)電氣隔離。這一變流器在整流工作模式下，電力電子器件在換流過程中的負(fù)荷和所承受沖擊非常大。此外，該電路需要安裝較大的緩沖電路，以部分緩解在電力電子器件關(guān)斷時(shí)，因電流斷續(xù)由變壓器漏感和電路的寄生電感所引起的對(duì)電力電子開關(guān)器件的巨大電壓沖擊。
[0005]這一緩沖電路通常由RC電路或RCD電路構(gòu)成，這進(jìn)一步增加了變流器的體積以及材料和生產(chǎn)成本。
[0006]本發(fā)明通過優(yōu)化變流器的換流環(huán)節(jié)，顯著減少了因電流斷續(xù)由變壓器漏感和電路的寄生電感所引起的對(duì)電力電子開關(guān)器件的電壓沖擊，從而能顯著減小緩沖電路的各項(xiàng)額定值，甚至實(shí)現(xiàn)無緩沖電路工作。
[0007]上述問題，通過本發(fā)明的變流器電路得以解決，其包括:一個(gè)直接矩陣變流器和一個(gè)變壓器。其中，該直接矩陣變流器的第一個(gè)輸入輸出端口與該變流器電路結(jié)構(gòu)的第一個(gè)輸入輸出端口相連;該直接矩陣變流器的第二個(gè)輸入輸出端口與變壓器的原邊相連;變壓器的副邊與雙向變流器的交流輸入輸出端口相連。該直接矩陣變流器可由一個(gè)包含6個(gè)雙向電力電子開關(guān)的B6橋式電路構(gòu)成。該直接矩陣變流器的第二個(gè)輸入輸出端口可位于該B6橋式電路的橋臂上。這些雙向電力電子開關(guān)可由反向串聯(lián)的電力電子開關(guān)器件構(gòu)成，如:MOSFET，IGBT (包含反向并聯(lián)二極管)，等。
[0008]該雙向變流器可以整流器模式和逆變器模式工作。在整流器工作模式下，能量由該變流器電路結(jié)構(gòu)的交流輸入輸出端口流向直流輸入輸出端口時(shí)。在逆變器工作模式下，能量由該變流器電路結(jié)構(gòu)的直流輸入輸出端口流交流輸入輸出端口。
[0009]在本發(fā)明所提供的變流器電路結(jié)構(gòu)中，雙向變流器可由一個(gè)包含電路電子開關(guān)器件的B2橋式電路構(gòu)成:M0SFET、IGBT、等。若該雙向變流器由MOSFET構(gòu)成，在整流工作模式下，該雙向變流器可工作于同步整流模式，以降低導(dǎo)通損耗。該雙向變流器的直流輸入輸出端口與該B2橋臂相連。
[0010]在本發(fā)明所提供的變流器電路結(jié)構(gòu)中，可包含:一個(gè)與第二個(gè)輸入輸出端口串聯(lián)的直流濾波電感，或一個(gè)與第二個(gè)輸入輸出端口并聯(lián)的直流濾波電容和一個(gè)與第二個(gè)輸入輸出端口串聯(lián)的直流濾波電感。直流濾波電感或直流濾波電感及電容用于濾平直流輸入輸出端口的電流及電壓。
[0011]本發(fā)明所提供的變流器電路結(jié)構(gòu)可包含一個(gè)用于測(cè)量變壓器原邊電流的電流傳感器和一個(gè)用于測(cè)量直流濾波電感電流的電流傳感器。該變流器電路結(jié)構(gòu)可包含一個(gè)電流比較器，用于比較直流濾波電感電流和變壓器原邊電流換算至變壓器同一側(cè)(即換算至變壓器的原邊或副邊)的后的大小。在逆變工作模式下，當(dāng)這兩個(gè)電流大小相等時(shí)，變流器開關(guān)狀態(tài)發(fā)生改變，從而使直流濾波電感由充電狀態(tài)轉(zhuǎn)換至放電狀態(tài)。
[0012]本發(fā)明所提供的變流器電路結(jié)構(gòu)可包含一個(gè)控制器。該控制器可包含上述電流比較器，或與上述電流比較器相連并能夠讀取電流比較器的比較結(jié)果?？刂破饔糜谟?jì)算直接矩陣變流器和雙向變流器中電力電子開關(guān)器件的開關(guān)時(shí)刻，并控制其開關(guān)狀態(tài)(即導(dǎo)通狀態(tài)和閉合狀態(tài))?？刂破骺砂粋€(gè)控制信號(hào)生成單元，其控制信號(hào)輸出端口與電力電子開關(guān)器件的控制端口相連?？刂菩盘?hào)生成單元根據(jù)控制器所計(jì)算的電力電子開關(guān)器件的開關(guān)時(shí)刻和開關(guān)狀態(tài)生成相應(yīng)的控制信號(hào)，并通過控制器的控制信號(hào)輸出端口輸出。在控制器輸出端口和電力電子開關(guān)器件的控制端口之間，可包含一個(gè)驅(qū)動(dòng)單元。
[0013]本發(fā)明所提供的包含(變壓器)電氣隔離的變流器電路結(jié)構(gòu)能夠:作為整流器工作，使能量由該變流器電路結(jié)構(gòu)的第一個(gè)輸入輸出端口流向其第二個(gè)輸入輸出端口，或作為逆變器工作，使能量由該變流器電路結(jié)構(gòu)的第二個(gè)輸入輸出端口流向其第一個(gè)輸入輸出端口。
[0014]其中，當(dāng)該變流器電路結(jié)構(gòu)處于逆變器工作模式時(shí)，直流濾波電感交替充放電。由充電狀態(tài)至放電狀態(tài)切換的最佳時(shí)刻是，直流濾波電感電流和變壓器原邊電流換算至變壓器同一側(cè)(即換算至變壓器的原邊或副邊)的電流大小相等的時(shí)刻。
[0015]直流濾波電感充電時(shí)，該變流器電路結(jié)構(gòu)從第二個(gè)輸入輸出端口吸收能力，并存儲(chǔ)在直流濾波電感中。
[0016]在直流濾波電感充電過程中，雙向變流器應(yīng)處于短路狀態(tài)，即至少兩個(gè)同一橋臂的電力電子開關(guān)器件或全部四個(gè)電力電子開關(guān)器件處于導(dǎo)通狀態(tài)。這樣直流濾波電感直接以并聯(lián)方式與該變流器電路結(jié)構(gòu)的第二個(gè)輸入輸出端口直接相連。
[0017]與之相反，在直流濾波電感充電過程中，雙向變流器不相連的兩個(gè)電力電子開關(guān)處于導(dǎo)通狀態(tài)，即S7、SlO導(dǎo)通或S8、S9導(dǎo)通，從而直流濾波電感能夠通過導(dǎo)通的電力電子開關(guān)以及變壓器次邊所構(gòu)成的回路放電，并在變壓器原邊產(chǎn)生感應(yīng)電流。這樣，能量就由在直流濾波電感流向了變壓器原邊，并進(jìn)一步通過直接矩陣變流器輸出值該變流器電路結(jié)構(gòu)的第一個(gè)輸入輸出端口。
[0018]在直流濾波電感充電過程中，變壓器原邊電流首先減小至零，然后再反向增加至與直流濾波電感相等的電流大小。這一時(shí)刻是直流濾波電感由放電狀態(tài)至充電狀態(tài)的最佳切換時(shí)刻。
[0019]在直流濾波電感充電過程中，可通過控制直接矩陣變流器的電力電子開關(guān)，使變壓器的原邊電壓方向與所希望獲得變壓器原邊電流的方向一致。這樣，直接矩陣變流器等效于一個(gè)負(fù)載，從該變流器電路結(jié)構(gòu)的第一個(gè)輸入輸出端口吸收能力。然而，這一能量并不會(huì)輸出到該變流器電路結(jié)構(gòu)的第二個(gè)輸入輸出端口，而是會(huì)存儲(chǔ)在變壓器的漏感中。
[0020]在直流濾波電感放電過程中，通過控制直接矩陣變流器的電力電子開關(guān)，使變壓器的原邊電壓方向與變壓器原邊電流的方向相反。這樣變壓器原邊就等效于一個(gè)電流源，向變流器電路結(jié)構(gòu)的第一個(gè)輸入輸出端口輸出能量。
[0021]在直流濾波電感放電過程中，本發(fā)明所提供的變流器電路結(jié)構(gòu)將能量回饋至與其第一個(gè)輸入輸出端口相連的交流電網(wǎng)中。這一過程，即從與該變流器電路結(jié)構(gòu)第二個(gè)輸入輸出端口相連的(直流)電網(wǎng)吸收能力，并回饋至與該變流器電路結(jié)構(gòu)第一個(gè)輸入輸出端口相連的(交流)電網(wǎng)中，每半個(gè)變壓器原邊電壓開關(guān)周期重復(fù)一次。直流濾波電感由充電狀態(tài)至放電狀態(tài)切換的最佳時(shí)刻是，直流濾波電感電流和變壓器原邊電流換算至變壓器同一偵叭即換算至變壓器的原邊或副邊)的電流大小相等的時(shí)刻。而直流濾波電感由放電狀態(tài)至充電狀態(tài)切換，則取決于變壓器原邊電壓的頻率。
【附圖說明】
[0022]說明書附圖用來提供對(duì)本發(fā)明的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分，本發(fā)明的示意性實(shí)施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的不當(dāng)限定。在附圖中:
[0023]圖1a和圖1b是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的變流器電路結(jié)構(gòu)等效電路圖；
[0024]圖2a是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的歸一化后的相電壓波形以及電壓扇區(qū)的劃分；
[0025]圖2b是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的歸一化后的相電壓(絕對(duì)值)；