專利名稱：交流推挽逆變-矩陣整流的降壓電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種電力電子技術(shù)領(lǐng)域的AC-DC變換器，具體是一種交流推挽逆變-矩陣整流的降壓電路，即用于交流變換的能量雙向流動(dòng)的AC-DC變換器。
背景技術(shù)：
隨著我國智能電網(wǎng)的發(fā)展，太陽能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電以及小水電等分布式發(fā)電系統(tǒng)在整個(gè)能源結(jié)構(gòu)中的比例逐步上升。分布式電源容量小，分布廣，交直流電源兼有，且電源電壓或頻率具有較大的波動(dòng)性。而體積小、重量輕、交流推挽逆變-矩陣整流的降壓電路可靈活地將各種分布式電源接入電力系統(tǒng)，具有良好的應(yīng)用前景。能量雙向流動(dòng)的電力電子變壓器具體包括兩個(gè)電壓變換環(huán)節(jié)，一個(gè)是高壓交流電輸入-低壓交流電輸出環(huán)節(jié)，另一個(gè)是低壓交流電壓輸入-低壓直流電壓輸出環(huán)節(jié)。為了完成高壓交流電壓輸入-低壓交流電輸出環(huán)節(jié)，可以采用交-交變換器，也可以采用交-直-交兩級(jí)變換器結(jié)構(gòu)，其中交-直變換器部分可以獨(dú)立成為產(chǎn)品，輸出較低的直流電壓，后級(jí)可再配置常規(guī)的直-交變換器，最終輸出低壓交流電壓。交-交變換器主要有兩種類型直接交-交變換器和間接交-交變換器。直接交-交變換器包括矩陣變換器和周波變換器，間接交-交變換器包括交直交變換器。單相輸入的直接交-交變換器的電路簡(jiǎn)單，控制容易，成本較低，但是其功能受限，調(diào)壓與變頻能力差，低壓穿越能力差，輸入功率因數(shù)低。如果不加以正確處理，工頻高壓交流電源就會(huì)出現(xiàn)功率因數(shù)不為1的情況，大量的諧波電流會(huì)產(chǎn)生多種危害，為此必須加以處置。三相輸入的直接交-交變換器的功能齊全，性能高，但是其電路復(fù)雜，控制繁瑣，成本高，低壓穿越能力差。單相、三相輸入的間接交-直-交變換器包括兩級(jí)結(jié)構(gòu)前級(jí)AC-DC變換器和后級(jí)DC-AC變換器，其功能齊全，性能高，低壓穿越能力強(qiáng)，但是需要采用初級(jí)功率因數(shù)校正器來降低網(wǎng)側(cè)諧波電流。經(jīng)過對(duì)現(xiàn)有適合高壓交流電壓輸入-低壓交流或低壓直流電壓輸出應(yīng)用場(chǎng)合的交交變換器技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，“基于單相矩陣變換器的非接觸供電系統(tǒng)研究”(電力電子技術(shù)，2009年第11期43卷)和“基于矩陣變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的調(diào)壓器的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)”(上海師范大學(xué)學(xué)報(bào)，2009年第1期38卷)中描述的單相-單相交-交變換器的功能和性能較差，輸出電壓的變頻調(diào)壓能力和輸入阻抗呈現(xiàn)非線性，很難推廣到三相-單相變換器；中國專利號(hào) 02139030. 4，專利名稱電力電子變壓器，描述的電力電子變壓器的拓?fù)浜凸ぷ髟矶紭O其復(fù)雜，應(yīng)用難度非常高。為了完成低壓交流電壓輸入-低壓直流電壓輸出，同時(shí)實(shí)現(xiàn)阻抗變換，可以采用功率因數(shù)校正電路。傳統(tǒng)的有源PFC校正器采用不可控整流橋方案，輸出電壓頻率不可調(diào)，，不支持能量雙向流動(dòng)。這種方案的局限性使得其無法緊隨技術(shù)的發(fā)展，不能滿足智能的要求，必將被淘汰。綜上所述，直接交-交變換器存在控制復(fù)雜和輸入功率因數(shù)低的不足，間接交-交變換器需要輸入功率因素校正來降低網(wǎng)側(cè)諧波干擾，均不能適用于高壓交流輸入-低壓交流或低壓直流輸出地應(yīng)用場(chǎng)合，傳統(tǒng)不可控整流橋PFC校正電路也無法滿足功率雙向流動(dòng)的要求。隨著實(shí)踐應(yīng)用的擴(kuò)大，設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能全面、高輸入功率因數(shù)，能量雙向流動(dòng)的交-交變換器已成為本領(lǐng)域技術(shù)人員的當(dāng)務(wù)之急。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，提供一種交流推挽逆變-矩陣整流的降壓電路，使其實(shí)現(xiàn)交流-直流變換，具有線性輸入阻抗，解決低壓穿越問題，輸出直流電壓升降可調(diào)的功能，支持四象限工作，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制容易和成本低廉的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明包括高頻變換電路和阻抗變換電路， 其中高頻變換電路的輸出端與阻抗變換電路的輸入端相連。所述的高頻變換電路包括依次級(jí)聯(lián)的濾波電路、推挽電路、變壓器和矩陣變換器。所述的濾波電路為LC濾波器。所述的推挽電路的結(jié)構(gòu)為兩組共射逆導(dǎo)開關(guān)組成的半橋式結(jié)構(gòu)。這兩組共射逆導(dǎo)開關(guān)的開關(guān)信號(hào)相位相差180°。推挽電路的輸出端與變壓器兩端相連，所述的逆導(dǎo)開關(guān)的基極接受PWM脈沖控制信號(hào)。所述的矩陣變換器的兩個(gè)橋臂的中點(diǎn)分別通過變壓器連接推挽電路的輸出端，所述的逆導(dǎo)開關(guān)的基極接受PWM脈沖控制信號(hào)。所述的阻抗變換電路為輸出端并聯(lián)濾波電容的全控橋式整流電路，橋的兩個(gè)橋臂中點(diǎn)分別連接矩陣變換器的兩個(gè)交流輸出端，整流橋的輸出端輸出直流電壓。本發(fā)明通過以下方式進(jìn)行工作濾波電路使工頻交流輸入電流平穩(wěn)光滑，通過推挽電路使得高壓工頻交流輸入電壓變成高壓高頻交流電壓，中間由于推挽電路使用，避免了變壓器的勵(lì)磁飽和，然后經(jīng)過變壓器變壓和矩陣變換器輸出低壓工頻交流電壓，此過程采用錯(cuò)相180°的高頻PWM脈沖控制信號(hào)分別驅(qū)動(dòng)矩陣變換器的開關(guān)，阻抗變換電路也就是整流器，輸入該工頻電壓信號(hào)，輸出穩(wěn)定的直流電壓，同時(shí)產(chǎn)生單位輸入功率因數(shù)，反映到整個(gè)交流推挽逆變-矩陣整流的降壓電路的輸入端，呈現(xiàn)單位輸入功率因數(shù)特征。阻抗變換電路采用輸入電流與輸出電壓雙閉環(huán)控制、單周期控制等算法，產(chǎn)生合適的PWM脈沖控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)整流器的功率開關(guān)，獲得阻性輸入阻抗和穩(wěn)定直流輸出電壓，形成交流推挽逆變-矩陣整流的降壓電路，為后級(jí)的DC-AC變換器供電，從而形成AC-AC變換器。本發(fā)明根據(jù)推挽電路可以避免變壓器勵(lì)磁飽和阻抗變換電路能夠獲得線性阻抗的原理，制定了推挽AC-DC變換器，可以實(shí)現(xiàn)靈活的可靠的調(diào)壓能力和獲得線性輸入阻抗， 克服交-交變換器電源與負(fù)載波動(dòng)相互干擾的不足，適合高壓輸入-低壓輸出變換器的各種應(yīng)用場(chǎng)合。阻抗變換電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，控制方便，可實(shí)現(xiàn)能量雙向流動(dòng)，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。本發(fā)明能量雙向流動(dòng)的AC-DC變換器具有設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)新穎、通用性強(qiáng)等特征，同時(shí)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)。
圖1為本發(fā)明實(shí)施例1的電路原理圖； 圖2為本發(fā)明實(shí)施例2的電路原理圖3為本發(fā)明實(shí)施例3的電路原理圖。
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)施例提供一種交流推挽逆變-矩陣整流的降壓電路，包括高頻變換電路和阻抗變換電路4，其中高頻變換電路的輸出端與阻抗變換電路4的輸入端相連。所述的高頻變換電路包括依次級(jí)聯(lián)的濾波電路Ll、C1，推挽電路1，變壓器2和矩陣變換器3。推挽電路1的輸出端通過變壓器2，矩陣變換器3與阻抗變換電路4的輸入端相連。所述的變壓器為初級(jí)帶中心抽頭的變壓器，原邊與副邊漏感低于10mH。所述的濾波電路為LC濾波器。所述的電感Ll為鐵粉芯材料，高壓型，感值為5mH。所述的電容Cl為交流電容，高壓型，2. 0mF/10kV。所述的推挽電路1是由兩個(gè)共射逆導(dǎo)開關(guān)BS1、BS2組成的半橋式電路，它們的基極接受PWM脈沖控制信號(hào)。所述的矩陣變換器3是由四個(gè)共射極的雙向開關(guān)BS3、BS4、BS5、BS6組成的橋式電路，每個(gè)雙向開關(guān)由兩個(gè)共射極的逆導(dǎo)開關(guān)組成，該雙向開關(guān)的基極接受PWM脈沖控制信號(hào)。所述的逆導(dǎo)開關(guān)為SiC功率MOSFET 15kV/5A/100° C，共射逆導(dǎo)開關(guān)的PWM驅(qū)動(dòng)脈沖的占空比為50%或根據(jù)閉環(huán)控制結(jié)果可調(diào)，其中BSl與BS2的驅(qū)動(dòng)信號(hào)相位上交錯(cuò)角度180°，開關(guān)頻率5kHz。所述的阻抗變換電路4包括整流電路S1、S2、S3、S4和與之并聯(lián)的輸出電解電容 E1，其中整流電路的兩個(gè)橋臂的中點(diǎn)分別通過矩陣變換器3，變壓器2連接推挽電路1的交流輸出端，其中左橋臂串聯(lián)升壓電感L2，整流電路的輸出端DCP和DCN輸出直流電壓。所述的升壓電感L2為非晶體材料，采用平面結(jié)構(gòu)，感值為750mH。所述的整流電路是由四個(gè)逆導(dǎo)開關(guān)Si、S2、S3、S4組成的整流橋，該逆導(dǎo)開關(guān)的基極接受PWM脈沖控制信號(hào)。所述的逆導(dǎo)開關(guān)S1、S2、S3、S4為SiC功率MOSFET 15kV/5A/100° C，逆導(dǎo)開關(guān)Sl 和S4驅(qū)動(dòng)脈沖相同，逆導(dǎo)開關(guān)S2和S3驅(qū)動(dòng)脈沖相同，驅(qū)動(dòng)脈沖的占空比根據(jù)閉環(huán)控制結(jié)果可調(diào)，兩組信號(hào)相位上交錯(cuò)角度180°，開關(guān)頻率35kHz。所述的電解電容El為鋁電解電容2200mF/450V。所述的變壓器Tl為高壓型，降壓型，變比為15:15:1，采用多個(gè)單繞組串聯(lián)以提升耐壓能力。本實(shí)施例中，輸入交流電壓為6. OkV，輸出直流電壓為380V，額定輸出功率為4kW。 所有元器件均采用高精度。實(shí)施例2
如圖2所示，本實(shí)施例涉及一種組合式線性AC-DC變換裝置，由三組相同結(jié)構(gòu)的交流推挽逆變-矩陣整流的降壓電路組成，其中每個(gè)交流推挽逆變-矩陣整流的降壓電路的輸入端分別與三相交流電的任意兩相相連，該三組交流推挽逆變-矩陣整流的降壓電路的輸出端并聯(lián)且輸出直流電壓。本實(shí)施例能夠?qū)崿F(xiàn)更大的功率輸出，同時(shí)具有三相線性輸入阻抗特性。實(shí)施例3
如圖3所示，本實(shí)施例涉及一種組合式線性AC-DC變換裝置，由三組相同結(jié)構(gòu)的交流推挽逆變-矩陣整流的降壓電路組成，該三組交流推挽逆變-矩陣整流的降壓電路的輸入端串聯(lián)，輸出端串聯(lián)并輸出直流電壓。本實(shí)施例能夠?qū)崿F(xiàn)高電壓輸入和更大的功率輸出。本發(fā)明交流推挽逆變-矩陣整流的降壓電路采用一種由兩個(gè)共射逆導(dǎo)開關(guān)組成的推挽電路和初級(jí)帶中心抽頭的變壓器，實(shí)現(xiàn)由高壓工頻交流電壓變換為低壓工頻電壓， 再采用阻抗變換電路實(shí)現(xiàn)由工頻低壓交流-低壓直流輸出，獲得穩(wěn)定的直流電壓輸出，供后級(jí)直流-交流變換器使用，同時(shí)具有單位輸入功率因數(shù)，這種單位輸入功率因數(shù)又能通過高頻變換電路傳導(dǎo)到電網(wǎng)，從而獲得網(wǎng)側(cè)單位功率因數(shù)和無諧波電流污染，另外支持四象限運(yùn)行，可將負(fù)載側(cè)直流電壓反饋至交流電網(wǎng)，充分利用負(fù)載閑置電能，同時(shí)整個(gè)電路非常簡(jiǎn)單，檢測(cè)電量和被控電量少，控制器設(shè)計(jì)也并不復(fù)雜，已獲得仿真分析和實(shí)驗(yàn)初步驗(yàn)證。而現(xiàn)有的集中方案的共同不足時(shí)電路級(jí)聯(lián)復(fù)雜，控制復(fù)雜，可行性較差；缺乏阻抗變換器。不能實(shí)現(xiàn)任一負(fù)載下的網(wǎng)側(cè)單位功率因數(shù)。輸入與輸出相互干擾；難以構(gòu)成三相工頻高壓交流電壓-低壓直流電壓的變換器；不支持能量雙向流動(dòng)，不能滿足智能電網(wǎng)的發(fā)展要求。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
1.一種交流推挽逆變-矩陣整流的降壓電路，包括高頻變換電路和阻抗變換電路， 其中高頻變換電路的輸出端與阻抗變換電路的輸入端相連，其特征在于所述的高頻變換電路包括依次級(jí)聯(lián)的濾波電路、推挽電路、變壓器以及矩陣變換器；所述的阻抗變換電路為輸入端串聯(lián)升壓電感、輸出端并聯(lián)濾波電容的全控型橋式整流電路，橋的兩個(gè)橋臂的中點(diǎn)分別連接矩陣變換器的兩個(gè)交流輸出端，整流橋的輸出端輸出直流電壓。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的交流推挽逆變-矩陣整流的降壓電路，其特征是，所述的濾波電路為LC濾波器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的交流推挽逆變-矩陣整流的降壓電路，其特征是，所述的推挽電路的結(jié)構(gòu)為兩組共射逆導(dǎo)開關(guān)組成的半橋式結(jié)構(gòu)，兩個(gè)橋臂的中點(diǎn)分別與變壓器兩端相連，逆導(dǎo)開關(guān)的基極接受PWM脈沖控制信號(hào)，信號(hào)相位差180°。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的交流推挽逆變-矩陣整流的降壓電路，其特征是，所述的矩陣變換器的結(jié)構(gòu)均為四組共射逆導(dǎo)開關(guān)組成的橋式結(jié)構(gòu)，兩個(gè)橋臂的中點(diǎn)分別連接阻抗變換電路的兩個(gè)輸入端，逆導(dǎo)開關(guān)的基極接受PWM脈沖控制信號(hào)，對(duì)角線上的兩組開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)相同。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的交流推挽逆變-矩陣整流的降壓電路，其特征是，所述的變壓器為初級(jí)帶中心抽頭的變壓器。
6.一種組合式線性AC-DC變換裝置，其特征在于，由三組權(quán)利要求1所述的交流推挽逆變-矩陣整流的降壓電路組成，其中每個(gè)交流推挽逆變-矩陣整流的降壓電路的輸入端分別與三相交流電的任意兩相相連，該三組交流推挽逆變-矩陣整流的降壓電路的輸出端并聯(lián)且輸出直流電壓。
7.一種組合式線性AC-DC變換裝置，其特征在于，由三組權(quán)利要求1所述的交流推挽逆變-矩陣整流的降壓電路組成，該三組交流推挽逆變-矩陣整流的降壓電路的輸入端串聯(lián)，輸出端串聯(lián)并輸出直流電壓。
全文摘要
本發(fā)明公開一種電力電子技術(shù)領(lǐng)域的交流推挽逆變-矩陣整流的降壓電路，包括高頻變換電路和阻抗變換電路，所述的高頻變換電路包括依次級(jí)聯(lián)的濾波電路、推挽電路、初級(jí)帶中心抽頭的變壓器和矩陣變換器；阻抗變換電路為輸入端串聯(lián)升壓電感、輸出端并聯(lián)濾波電容的全控型橋式整流電路，橋的兩個(gè)橋臂的中點(diǎn)分別連接矩陣變換器的兩個(gè)交流輸出端，整流橋的輸出端輸出直流電壓。本發(fā)明輸出穩(wěn)定的直流電壓，同時(shí)產(chǎn)生單位輸入功率因數(shù)，實(shí)現(xiàn)靈活的調(diào)壓能力和獲得線性輸入阻抗，克服電源與負(fù)載波動(dòng)相互干擾的不足，另外支持四象限運(yùn)行，可將直流電壓反饋至交流電網(wǎng)，充分利用負(fù)載側(cè)閑置電能，設(shè)計(jì)構(gòu)思新穎、通用性強(qiáng)，同時(shí)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低。
文檔編號(hào)H02M3/337GK102291035SQ201110206920
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)明者李華武, 楊喜軍, 江劍鋒, 馬紅星 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)