變比的可變級(jí)開關(guān)電容型ac-ac變換器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及了一種無磁性元件變換器，尤其是涉及了電力電子變換的技術(shù)領(lǐng)域的一種實(shí)現(xiàn)l/2n變比的可變級(jí)開關(guān)電容型AC-AC變換器。
【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)的交流電能變換通常采用電磁變壓器，具有電氣隔離、效率高、容量大等優(yōu)點(diǎn)，但也存在體積大、音頻噪聲大、諧波污染等缺點(diǎn)。同時(shí)傳統(tǒng)的電磁變壓器滿足不了電氣電子設(shè)備小型化的要求。
[0003]電力電子系統(tǒng)集成化的關(guān)鍵技術(shù)之一是磁性元件(電感或變壓器)的小型化和微型化，在軟開關(guān)技術(shù)下提高開關(guān)頻率無疑是一個(gè)十分有效的措施，這樣電路中電感和變壓器的體積都可以縮小，整個(gè)電路的性能都得到提升；然而，當(dāng)開關(guān)頻率達(dá)到400KHz-500KHz左右時(shí)，主開關(guān)與磁性元件的損耗增加，轉(zhuǎn)換效率下降，電磁噪聲加大，用于抑制噪聲的濾波電容的體積隨著增大，再提高開關(guān)頻率，只能帶來負(fù)面的影響，因此，通過提高開關(guān)頻率的方式減小電源體積己經(jīng)沒有余地。
[0004]減少磁性元件的基本思路是發(fā)展無感變換器，開關(guān)電容型AC-AC變換器就是一種典型的無感變換器，它是將電容和一定數(shù)量的功率開關(guān)組合起來，電容的充放電通過對(duì)功率開關(guān)的控制實(shí)現(xiàn)，由電容和功率開關(guān)的組合實(shí)現(xiàn)許多不同變比的電路。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0005]為了解決【背景技術(shù)】中存在的問題，深入研宄開關(guān)電容型AC-AC變換器原理，本實(shí)用新型的目的在于提供一種實(shí)現(xiàn)l/2n變比的可變級(jí)開關(guān)電容型AC-AC變換器，設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制簡(jiǎn)便、成本低廉的新型電子變壓器來取代傳統(tǒng)的變壓器，并且同時(shí)可以達(dá)到實(shí)現(xiàn)l/2n變比的不同檔位的電壓輸出，可應(yīng)用于其他固定檔位調(diào)速的設(shè)計(jì)中。
[0006]本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是:
[0007]本實(shí)用新型主要由多個(gè)基本單元電路依次級(jí)聯(lián)構(gòu)成:每個(gè)基本單元電路包括三個(gè)電容和四組依次串聯(lián)的功率開關(guān)組，四組功率開關(guān)組依次分別為第一功率開關(guān)組、第二功率開關(guān)組、第三功率開關(guān)組和第四功率開關(guān)組，每組功率開關(guān)組包括兩個(gè)源極相互串聯(lián)的功率開關(guān)管；三個(gè)電容分別為第一電容、第二電容和第三電容，第一電容并聯(lián)在第一功率開關(guān)組和第二功率開關(guān)組串聯(lián)后的兩端，第二電容并聯(lián)在第三功率開關(guān)組和第四功率開關(guān)組串聯(lián)后的兩端，第三電容并聯(lián)在第二功率開關(guān)組和第三功率開關(guān)組串聯(lián)后的兩端；級(jí)聯(lián)方式為由下一級(jí)基本單元電路中四組功率開關(guān)組串聯(lián)后的兩端并聯(lián)到上一級(jí)基本單元電路中任一電容的兩端，由此形成l/2n的變比的開關(guān)電容型AC-AC變換器。
[0008]所述第一級(jí)基本單元電路中四組功率開關(guān)組依次串聯(lián)后的兩端作為電源輸入端，最后一級(jí)基本單元電路中任一電容兩端作為電源輸出端。
[0009]所述的基本單元電路的數(shù)量為N個(gè)，最后一級(jí)基本單元電路電源輸出端的電壓為電源輸入端電壓的l/2n。
[0010]所述的變換器的輸入端與220V的50Hz市電連接，輸出端與負(fù)載連接。
[0011]所述的功率開關(guān)組中的每個(gè)功率開關(guān)管均由驅(qū)動(dòng)電路提供PWM信號(hào)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電路與各個(gè)功率開關(guān)管的柵極相連接。
[0012]基于變比為1/2的原理及電路結(jié)構(gòu)，為了實(shí)現(xiàn)更多不同的變比，得到更多全新的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，本實(shí)用新型提出了將變比為1/2的基本單元電路級(jí)聯(lián)的新思路。將基本單元電路級(jí)聯(lián)，打破了原有的基于電容的AC-AC變換器縱向拓展的固有思路，具有極大的創(chuàng)新性和研宄價(jià)值。
[0013]本實(shí)用新型采用上述技術(shù)方案，具有以下有益效果:
[0014]本實(shí)用新型僅以電容作為儲(chǔ)能元件，驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制功率開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，從而控制電容的充放電時(shí)間，每一級(jí)基本單元電路中的第一電容、第二電容和第三電容兩端的電壓均為該級(jí)基本單元電路輸入端電壓的1/2 ;通過接入基本單元電路的級(jí)數(shù)的改變，實(shí)現(xiàn)逐級(jí)降壓，以此控制對(duì)輸出電壓不同變比的變級(jí)選擇。
[0015]本實(shí)用新型由于不含有磁性元件，因此具有體積小、重量輕、電源效率高等優(yōu)點(diǎn)。隨著電路中基本單元電路級(jí)數(shù)的增加，電路的等效內(nèi)阻基本保持不變。與此同時(shí)降低了變換器的體積與重量，提高了功率密度。
【附圖說明】
[0016]圖1是本實(shí)用新型變比為1/21? N級(jí)電路拓?fù)鋱D。
[0017]圖2是本實(shí)用新型的基本單元電路的電路拓?fù)鋱D。
[0018]圖3是本實(shí)用新型中功率開關(guān)管接收驅(qū)動(dòng)的PWM信號(hào)波形圖。
[0019]圖1和圖2中:U1、輸入電壓，Rp負(fù)載電阻，U。、輸出電壓。
[0020]圖3中:D為PWM信號(hào)的占空比，TsS PWM信號(hào)周期。
[0021]圖4:是輸入電壓1^與220V的50Hz市電連接，接入到一級(jí)基本單元電路，進(jìn)行三分壓后，實(shí)現(xiàn)1/2變比的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
[0022]圖5:是輸入電壓+與220V的50Hz市電連接，接入到兩級(jí)基本單元電路，進(jìn)行三分壓后，實(shí)現(xiàn)1/4變比的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
[0023]圖6:是輸入電壓+與220V的50Hz市電連接，接入到三級(jí)基本單元電路，進(jìn)行三分壓后，實(shí)現(xiàn)1/8變比的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
[0024]圖7:是輸入電壓+與220V的50Hz市電連接，接入到四級(jí)基本單元電路，進(jìn)行三分壓后，實(shí)現(xiàn)1/16變比的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖對(duì)實(shí)用新型的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0026]如圖1所示，本實(shí)用新型主要由多個(gè)基本單元電路依次級(jí)聯(lián)構(gòu)成:每個(gè)基本單元電路包括三個(gè)電容和四組依次串聯(lián)的功率開關(guān)組，如圖2所示，四組功率開關(guān)組依次分別為第一功率開關(guān)組、第二功率開關(guān)組、第三功率開關(guān)組和第四功率開關(guān)組，每組功率開關(guān)組包括兩個(gè)源極相互串聯(lián)的功率開關(guān)管；三個(gè)電容分別為第一電容、第二電容和第三電容，第一電容并聯(lián)在第一功率開關(guān)組和第二功率開關(guān)組串聯(lián)后的兩端，第二電容并聯(lián)在第三功率開關(guān)組和第四功率開關(guān)組串聯(lián)后的兩端，第三電容并聯(lián)在第二功率開關(guān)組和第三功率開關(guān)組串聯(lián)后的兩端；級(jí)聯(lián)方式為由下一個(gè)基本單元電路中四組功率開關(guān)組串聯(lián)后的兩端連接到上一個(gè)基本單元電路中任一電容的兩端，由此形成l/2n的變比的開關(guān)電容型AC-AC變換器。
[0027]第一級(jí)基本單元電路中四組功率開關(guān)組依次串聯(lián)后的兩端作為電源輸入端，最后一級(jí)基本單元電路中任一電容兩端作為電源輸出端。
[0028]基本單元電路的數(shù)量為N個(gè)，最后一級(jí)基本單元電路電源輸出端的電壓為電源輸入端電壓的l/2n。
[0029]變換器的輸入端與220V的50Hz市電連接，輸出端與負(fù)載連接。
[0030]功率開關(guān)組中的每個(gè)功率開關(guān)管均由驅(qū)動(dòng)電路提供PWM信號(hào)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電路與各個(gè)功率開關(guān)管的柵極相連接。
[0031]如圖2所示，對(duì)于基本單元電路:第一功率開關(guān)組S1包括源極相互串聯(lián)的功率開關(guān)管M1和功率開關(guān)管M2,第二功率開關(guān)組S2包括源極相互串聯(lián)的功率開關(guān)管M 3和功率開關(guān)管M4,第三功率開關(guān)組S3包括源極相互串聯(lián)的功率開關(guān)管M 5和功率開關(guān)管M 6，第四功率開關(guān)組S4包括源極相互串聯(lián)的功率開關(guān)管M 7和功率開關(guān)管M 8。
[0032]如圖2所示，三個(gè)電容分別為電容C1、電容C2和電容C 3。基本單元電路中的電容(^并聯(lián)在第一功率開關(guān)組和第二功率開關(guān)組串聯(lián)后的兩端，電容C 2并聯(lián)在第三功率開關(guān)組和第四功率開關(guān)組串聯(lián)后的兩端，電容C3并聯(lián)在第二功率開關(guān)組和第三功率開關(guān)組串聯(lián)后的兩端。
[0033]如圖1所示，對(duì)于第一級(jí)基本單元電路:第一功率開關(guān)組S1包括源極相互串聯(lián)的功率開關(guān)管M1和功率開關(guān)管M2，第二功率開關(guān)組S2包括源極相互串聯(lián)的功率開關(guān)管M 3和功率開關(guān)管M4,第三功率開關(guān)組S3包括源極相互串聯(lián)的功率開關(guān)管M 5和功率開關(guān)管M 6，第四功率開關(guān)組S4包括源極相互串聯(lián)的功率開關(guān)管M 7和功率開關(guān)管M 8;對(duì)于第二級(jí)基本單元電路:第一功率開關(guān)組S5包括源極相互串聯(lián)的功率開關(guān)管M9和功率開關(guān)管Mltl，第二功率開關(guān)組S6包括源極相互串聯(lián)的功率開關(guān)管M n和功率開關(guān)管M 12，第三功率開關(guān)組S7包括源極相互串聯(lián)的功率開關(guān)管M13和功率開關(guān)管M 14，第四功率開關(guān)組&包括源極相互串聯(lián)的功率開關(guān)管M15和功率開關(guān)管M 16;以此類推，對(duì)于第N級(jí)基本單元電路:第一功率開關(guān)組S 4n_3包括源極相互串聯(lián)的功率開關(guān)管M8n_7和功率開關(guān)管M 8n_6，第二功率開關(guān)組S4n_2包括源極相互串聯(lián)的功率開關(guān)管M8n_5和功率開關(guān)管M 8n_4，第三功率開關(guān)組341^包括源極相互串聯(lián)的功率開關(guān)管隊(duì)?_3和功率開關(guān)管M8n_2，第四功率開關(guān)組S4n包括源極相互串聯(lián)的功率開關(guān)管M8lri和功率開關(guān)管M8n。
[0034]如圖1所示，第一級(jí)基本單元電路中三個(gè)電容分別為電容C1、電容C2和電容C3;第二級(jí)基本單元電路中三個(gè)電容分別為電容C4、電容C5和電容C 6；以此類推，第N級(jí)基本單元電路中三個(gè)電容分別為電容C3n_2、電容C3lri和電容C 3no
[0035]本實(shí)用新型由1-η級(jí)基本單元電路級(jí)聯(lián)組成，隨著基本單元電路級(jí)數(shù)的變化，此開關(guān)電容型AC-AC變換器的輸出變比也隨之變化，按級(jí)數(shù)的增加依次實(shí)現(xiàn)1/2至l/2n的變比變化。每當(dāng)次級(jí)基本單元電路的輸入端輸入電壓Ui連接在前一級(jí)基本單元電路四組功率開關(guān)組依次連接后的兩端，此時(shí)輸出端連接在次級(jí)基本單元電路中任一電容兩端，可以得到變換后的輸出電壓U。為輸入端電壓u ,的1/2 ;若再將下一級(jí)基本單元電路接入到次級(jí)基本單元電路中任一電容兩端，此時(shí)輸出端連接在此基本單元電路中任一電容兩端，可以得到變換后的輸出電壓U。為輸入端電壓u 4勺1/4 ;以此類推，若將第N級(jí)基本單元電路接入到第N-1級(jí)基本單元電路中任一電容兩端，此時(shí)輸出端連接在第N級(jí)基本單元電路中任一電容兩端，可以得到變換后的輸出電壓U。為輸入端電壓u ,的1/2 n;通過接入基本單元電路的級(jí)數(shù)的改變，實(shí)現(xiàn)逐級(jí)降壓，以此控制對(duì)輸出電壓不同變比的變級(jí)選擇。
[0036]每一組基本單元電路在接入到輸入端后，基本單元電路的等效電路由等效電阻和等效電容組成。其中等效電阻和等效電容的具體數(shù)值，會(huì)隨著所選取的功率開關(guān)管和電容的具體參數(shù)發(fā)生改變，但是等效電阻和等效電容的數(shù)值以及每級(jí)基本單元電路上產(chǎn)生的功率損耗均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于含有磁性元件的傳統(tǒng)的開關(guān)電源AC-AC變換器。同時(shí)
[0037]每級(jí)基本單元電路中不含有磁性元件，僅由電容和功率開關(guān)管組成，與傳統(tǒng)的開