級聯(lián)型實現(xiàn)任意合數(shù)變比的開關(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)域的一種級聯(lián)型實現(xiàn)任意合數(shù)變比的開關(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，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功率開關(guān)的控制實現(xiàn)，由電容和功率開關(guān)的組合實現(xiàn)許多不同變比的電路。
【實用新型內(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，本實用新型的目的在于提供一種級聯(lián)型實現(xiàn)任意合數(shù)變比的開關(guān)電容型AC-AC變換器，設(shè)計了結(jié)構(gòu)簡單、控制簡便、成本低廉的新型電子變壓器來取代傳統(tǒng)的變壓器，并且同時可達(dá)到實現(xiàn)任意合數(shù)變比的不同檔位的電壓輸出，可應(yīng)用于其他檔位調(diào)速的設(shè)計中。
[0006]本實用新型采用的技術(shù)方案是:
[0007]主要由多個用于實現(xiàn)輸入輸出1/N變比的基本單元電路依次級聯(lián)構(gòu)成，基本單元電路由電容和多組依次串聯(lián)的功率開關(guān)組組成，每組功率開關(guān)組包括兩個源極相互串聯(lián)的功率開關(guān)管，任意相鄰兩個功率開關(guān)組串聯(lián)后的兩端均并聯(lián)有一電容，驅(qū)動電路與各個功率開關(guān)管的柵極相連接；級聯(lián)方式為由次一級基本單元電路中所有功率開關(guān)組串聯(lián)后兩端并聯(lián)到上一級基本單元電路中任意一電容兩端，由此形成所述開關(guān)電容型AC-AC變換器。
[0008]所述第一級基本單元電路中所有功率開關(guān)組依次串聯(lián)后的兩端作為電源輸入端，最后一級基本單元電路中任一電容兩端作為電源輸出端。
[0009]所述的各級基本單元電路中電容的數(shù)量和功率開關(guān)組的組數(shù)相同。
[0010]所述的各級基本單元電路中電容的數(shù)量和功率開關(guān)組的組數(shù)不相同。
[0011]各個基本單元電路所達(dá)到的降壓變比不相同，最后一級基本單元電路電源輸出端的電壓與電源輸入端電壓的變比為各個基本單元電路的降壓變比的乘積，故可實現(xiàn)任意非質(zhì)數(shù)變比。
[0012]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。
[0013]所述的功率開關(guān)組中的每個功率開關(guān)管均由驅(qū)動電路提供PWM信號進(jìn)行驅(qū)動，驅(qū)動電路與各個功率開關(guān)管的柵極相連接。
[0014]本實用新型提出了將基本單元電路級聯(lián)的新思路，基于可實現(xiàn)輸入輸出1/N變比的基本單元電路結(jié)構(gòu)，為了實現(xiàn)更多不同的變比得到更多全新的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將基本單元電路級聯(lián)，打破了原有的將AC-AC變換器縱向拓展的固有思路，具有極大的創(chuàng)新性和研宄價值。
[0015]本實用新型采用上述技術(shù)方案，具有以下有益效果:
[0016]本實用新型僅以電容作為儲能元件，驅(qū)動信號控制功率開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，從而控制電容的充放電時間，每一級基本單元電路隨著較多側(cè)電容數(shù)N的改變，輸出的變比發(fā)生相應(yīng)的變化；通過接入基本單元電路的級數(shù)的改變，實現(xiàn)逐級降壓，可實現(xiàn)任意合數(shù)變比，以此控制對輸出電壓任意合數(shù)變比的變級選擇。
[0017]本實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數(shù)的增加，電路的等效內(nèi)阻基本與第一級實現(xiàn)輸入輸出1/N變比的基本單元電路的等效內(nèi)阻一致保持不變。與此同時降低了變換器的體積與重量，提高了功率密度。
【附圖說明】
[0018]圖1是本實用新型AC-AC變換器的電路拓?fù)鋱D。
[0019]圖2是基本單元電路施加電壓到一側(cè)。
[0020]圖3是基本單元電路中功率開關(guān)管接收驅(qū)動的PWM信號波形圖。
[0021]圖4是實施例1實現(xiàn)1/6變比的電容型AC-AC變換器的電路拓?fù)鋱D。
[0022]圖5是實施例2實現(xiàn)1/12變比的電容型AC-AC變換器的電路拓?fù)鋱D。
[0023]圖6是是輸入電壓1^與220V的50Hz市電連接，接入到兩級基本單元電路，進(jìn)行三分壓后，實現(xiàn)1/6變比的實驗結(jié)果。
[0024]圖7是是輸入電壓七與220V的50Hz市電連接，接入到三級基本單元電路，進(jìn)行三分壓后，實現(xiàn)1/12變比的實驗結(jié)果。
[0025]圖中:U1、輸入電壓，&、負(fù)載電阻，U。、輸出電壓，D為PWM信號的占空比，T^PWM
信號周期。
【具體實施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖對實用新型的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0027]如圖1所示，本實用新型主要由多個基本單元電路依次級聯(lián)構(gòu)成:每個基本單元電路包括2N-1個電容和2N組依次串聯(lián)的功率開關(guān)組，如圖2所示，2N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2N功率開關(guān)組，每組功率開關(guān)組包括兩個源極相互串聯(lián)的功率開關(guān)管；2N-1個電容分別為第一電容、第二電容…第2N-1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)在第二功率開關(guān)組和第三功率開關(guān)組串聯(lián)后的兩端，第三電容并聯(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，以此類推，第2N-2個電容并聯(lián)在第2N-2功率開關(guān)組和第2N-1功率開關(guān)組串聯(lián)后的兩端，第2N-1個電容并聯(lián)在第2N-1功率開關(guān)組和第2N功率開關(guān)組串聯(lián)后的兩端，此時當(dāng)輸入電壓的輸入端連接在功率開關(guān)組串聯(lián)后的兩端，第一級基本單元中任一電容的兩端的輸出電壓，均可以得到輸入電壓的1/N的變比。
[0028]如圖1所示，所述的基本單元電路的數(shù)量為R個，R個基本單元電路的電容數(shù)可以任意改變，即R個基本單元電路所達(dá)到的降壓變比各不相同，每一級基本單元電路中隨著較多側(cè)電容數(shù)N的改變，輸出的變比發(fā)生相應(yīng)的變化，如圖1所示，第2級基本單元電路中包括2P-1個電容和2P組依次串聯(lián)的功率開關(guān)組，如圖1所示，2P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2P功率開關(guān)組，每組功率開關(guān)組包括兩個源極相互串聯(lián)的功率開關(guān)管；2P-1個電容分別為第一電容、第二電容…第2P-1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)在第二功率開關(guān)組和第三功率開關(guān)組串聯(lián)后的兩端，第三電容并聯(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，以此類推，第2P-2個電容并聯(lián)在第2P-2功率開關(guān)組和第2P-1功率開關(guān)組串聯(lián)后的兩端，第2P-1個電容并聯(lián)在第2P-1功率開關(guān)組和第2P功率開關(guān)組串聯(lián)后的兩端，此時當(dāng)前端的輸入電壓的輸入端連接在第2級基本單元電路中的所有功率開關(guān)組串聯(lián)后的兩端，第2級基本單元中任一電容的兩端的輸出電壓，均可以得到輸入電壓的1/P的變比；以此類推，如圖1所示，第R級基本單元電路中任一電容的兩端的輸出電壓，均可以得到輸入電壓的1/Q的變比。
[0029]級聯(lián)方式為由次一個基本單元電路中所有功率開關(guān)組串聯(lián)后的兩端連接到前一個基本單元電路中任一電容的兩端，每一級均以級聯(lián)的方式連接在前一的基本單元電路上，最后一級基本單元電路電源輸出端的電壓與電源輸入端電壓的變比為R級基本單元電路的降壓變比的乘積，如圖1所示，即變比為1/(NP…Q)，故可以實現(xiàn)任意合數(shù)變比，由此形成本實用新型AC-AC變換器。
[0030]第一級基本單元電路中2N組功率開關(guān)組依次串聯(lián)后的兩端作為電源輸入端，最后一級基本單元電路中任一電容兩端作為電源輸出端。
[0031]例如基本單元電路的數(shù)量為R個，隨著每一級基本單元電路中較多側(cè)電容數(shù)N的改變，最后一級基本單元電路電源輸出端的電壓為R級基