專利名稱：一種單相電壓型變換器消除二次紋波電路的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種變換器消除二次紋波電路，尤其涉及一種單相電壓型變換器消除二次紋波電路。
背景技術：
在中小功率場合，單相變換器得到非常廣泛的應用。現有應用最廣的單相變換器為圖I所示H橋變換器，但當交流側電壓為交流，輸入電流為同頻率的交流時，直流側會產生二次紋波，該紋波會對直流側電能質量，系統的穩定性，以及直流側設備的壽命等都會造成不利的影響。傳統的解決方法為在直流側并聯非常大電容Cd。，用來抑制二次紋波，但此方法會導致整個變換器的體積增大，造價上升，系統的功率密度大大降低。并且，該方法只能抑制并不能消除直流側的二次紋波，當直流側電壓較高或對直流側電壓精度要求較高時，整個變換器的體積和造價更會大幅上升。 對此，文獻與發明對上述H橋變換電路提出改進措施，例如，在期刊《IEEETRANSACT IONSON INDUSTRIAL ELECTRONICS)) 1997 年，第 44 卷，第 4 期，第 447 至 455 頁中刊登“A UnityPower Factor PWM Rectifier with DC Ripple Compensation，，一文(作者Toshihisa Shimizu等)提出在H橋變換器直流側附加一組開關管橋臂,將二次紋波能量存儲于交流側濾波電容；期刊《IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS)) 2000年，第 36 卷，第 5 期，第 1419 至 1429 頁中刊登 “DC Ripple Current Reduction on aSingle-Phase PWM Voltage-SourceRectifier^一文(作者 Toshihisa Shimizu 等)提出在H橋變換器直流側附加一組開關管橋臂，并將二紋波能量存儲于附加電感中。專利號為CA02732525的加拿大專利提出一種消減直流側二次紋波的方法，其拓撲結構如圖2所示該電路在保持原有H橋變換電路不變的前提下，在其直流側并聯雙向斬波電路，可以將此二次紋波功率存儲于附加電容C中。該電路與H橋變換電路相比，增加了兩個開關管，一個電感與一個附加電容，使得變換器的造價會提高，且由于附加開關管存在開關損耗與導通損耗，該電路的效率也會下降。上述三種方法均為在不改變原有H橋變換電路的基礎上，在變換器直流側附加開關管，并且加入儲能設備，通過控制附加開關管從而使二次紋波功率存儲于儲能設備中，它們均可以減小變換器的直流側電容Cd。，使系統的功率密度升高，體積降低。但以上三種方法均需要額外附加兩個開關管，大大增加了變換器的成本與系統出故障的概率，且由于附加開關管存在開關損耗與導通損耗，從而大大降低了變換器的效率。
發明內容
本發明的目的就是為了解決上述問題，提供一種單相電壓型變換器消除二次紋波電路，它具有用附加電容來吸收二次紋波功率，從而達到消減直流側二次紋波的優點。為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案—種單相電壓型變換器消除二次紋波電路，它包括交流側、變換器和直流側，所述交流側通過電感與變換器連接，變換器的另一側與直流側連接，在直流側負端與交流側輸入端之間連接電容C。所述交流側分為第一交流端和第二交流端，所述變換器包括并聯的A相橋臂、B相橋臂和電容Cd。，第一交流端通過電感L2與變換器的A相橋臂連接，第二交流端通過電感LI與B相橋臂連接，電容Cd。與直流側連接，第二交流端與直流側負端連接有電容C。所述A相橋臂由串聯的開關管SI和開關管S2組成，B相橋臂由串聯的開關管S3和開關管S4組成，開關管SI和開關管S2的連接點與電感L2連接，開關管S3和開關管S4的連接點與電感LI連接。所述開關管SI、開關管S2、開關管S3和開關管S4為場效應管或絕緣柵晶體管。圖3中6與7為電源或負載，當交流側6為電源，直流側7為負載時，功率由交流側電源流入直流側負載，此變換器為PWM整流器；當交流側6為負載，直流側7為電源時，功 率由直流側電源流入交流側負載，此變換器為逆變器；當6與7均為電源時，通過控制四個開關管可以控制功率的流向，此變換器為雙向變換器，即本發明的單相電壓型變換器可工作于整流與逆變兩種狀態。本發明的有益效果本發明提供的電路相比于圖I所示H橋變換電路，將交流側濾波電感一分為二，分別串聯于交流側第一交流端與第二交流端，并在第二交流端與直流側負端之間接入一個附加儲能電容，用來吸收二次紋波功率，從而達到消減直流側二次紋波的目的；與圖I所示H橋變換電路相比，本發明雖然需要附加一個電容C，但所需附加電容C與直流側電容Cd。值之和遠小于原有H橋變換電路所需直流側電容的值，且所需附加電容C耐壓值也小于直流側電容，這樣就會大大減少變換器中電容Cd。的使用，使整個變換器的體積大大減小，造價大大下降；不僅如此，本發明還可以消減直流側的二次紋波，消減原有二次紋波對直流側設備的影響，尤其在直流側電壓較高或對直流側電壓精度要求較高時，本發明在體積，造價以及功率密度等方面優勢更加明顯。與圖2所示電路相比，本發明同樣實現了將二次紋波功率存儲于附加電容C中的功能，消減了直流的二次紋波，在具有圖2電路的功率密度高，體積小，直流側電容值小等優點的同時，相比于圖2電路，本發明還具有以下優點a.本發明節省兩個開關管。由于每個開關管都需要驅動、保護、緩沖電路和散熱裝置等一系列輔助電路或器件，這些裝置以及開關管本身都會占用體積，產生損耗，增加系統故障概率，并且開關管工作時會產生導通與開關損耗，開關管的損耗是電力電子變換器中最主要的損耗，因此節省了開關管可使變換器的損耗大大下降，造價大大下降，體積減小，穩定性也會增加。b.本發明將原有H橋變換器交流側濾波電感一分為二，即分為LI與L2兩個電感，由于兩個電感都起到濾除交流側開關紋波的功能。因此相比于圖I所示H橋變換電路，本發明無需附加電感，即相比于圖2所示電路，本發明節省一個附加電感。本發明只附加一個儲能電容即可達到消減直流側二次紋波的目的，從而減小了 H橋變換電路直流側電容值，降低了變換器的體積與造價，對直流側設備的壽命也會產生有利影響；相比于圖2所示電路，本發明節省了兩個開關管與一個電感，從而降低了變換器造價、損耗與體積，并增強了系統的穩定性。
圖I為現有H橋變換器拓撲結構圖2為現有有源法消減直流側二次紋波單相變換器電路拓撲；圖3為本發明的拓撲結構；圖4為在二次紋波功率被完全吸收時不同儲能電容電壓利用效率儲能電容電壓波形圖；圖5為在裝置穩態工作時第一交流端相對于直流側負端的電壓vD，儲能電容電壓vc,交流側電壓va。波形。
其中，I.交流側，2.變換器，3.直流側，4. A相橋臂，5. B相橋臂，6.交流電源或負載，7.直流電源或負載。
具體實施例方式下面結合附圖與實施例對本發明作進一步說明。如圖3所示，一種單相電壓型變換器消除二次紋波電路，它包括交流側I、變換器2和直流側3，所述交流側I通過電感與變換器2連接，變換器2的另一側與直流側3連接，在直流側3負端與交流側I之間連接電容C。所述交流側I分為第一交流端和第二交流端，所述變換器2包括并聯的A相橋臂
4、B相橋臂5和電容Cd。，第一交流端通過電感L2與變換器2的A相橋臂4連接，第二交流端通過電感LI與B相橋臂5連接，電容Cd。與直流側3連接，第二交流端與直流側3負端連接有電容C，所述交流側包括交流電源或負載6，交流電源或負載6 —側與電感L2連接，另一側與電感LI連接，所述直流側3包括直流電源或負載7。所述A相橋臂4由串聯的開關管SI和開關管S2組成，B相橋臂5由串聯的開關管S3和開關管S4組成，開關管SI和開關管S2的連接點與電感L2連接，開關管S3和開關管S4的連接點與電感LI連接。所述開關管SI、開關管S2、開關管S3和開關管S4為場效應管或絕緣柵晶體管。如圖I所示為現有H橋變換器電路；圖2為現有有源法消減直流側二次紋波單相變換器電路拓撲；如圖3所示，當交流側I電壓為交流，輸入電流為同頻率的交流時，其電壓、電流的表達式如下vac = Vsin ω t(I)
U =/sin(仞 + 爐)(2)V與I分別為輸入電壓，電流的峰值，ω為角頻率，t為時間為電壓與電流之間
的夾角，忽略輸入電感的儲能與開關管的損耗，則交流側I瞬時功率，即為其
流入直流側3的瞬時功率，則有瞬時功率表達式為
pac為交流側I流入直流側3的瞬時功率。從公式(3)可以看出流入直流側瞬時
功率不僅包含直流分量即平均功率P。，而且含有二次分量即紋波功率Pu它們分別為
由公式⑷可以看出，當時，P。> 0，功率由交流側向直流側流動，此變
換器工作于PWM整流狀態；當1〈爐時，P0 < 0，功率由直流側向交流側流動，此變換器
工作于逆變狀態；當爐時，P0 = 0，直流側與交流側只有無功的交換，此變換器工作于靜止無功發生狀態。當公式(5)所示紋波功率均被附加儲能電容C吸收，則附加儲能電容C所儲存的能量Ec為其中K > 1，為不定積分常數，當K= I時，表示每個周期儲能電容有完全放電時刻；當K > I時，表示每個周期儲能電容沒有完全放電時刻，Vc為附加儲能電容C電壓。由公式(6)可以得出電容電壓為當附加儲能電容工作時儲存的能量最多，電容電壓最大，即sin(2 f +爐)=-1時，得
出儲能電容工作時最多儲存的能量與最大電壓分別為 Ecmax為儲能電容工作時儲存的最多能量，Vanax為儲能電容工作時的最大電壓。同樣當附加儲能電容儲存的能量最少，電容電壓最小，即sin(2& +㈧=1時，得出儲能電容工作的最少儲存的能量與最小電壓分別為
Ecmin為儲能電容工作時儲存的最少能量，Vranin為儲能電容工作時的最小電壓。定義儲能電容能量利用效率nE為儲能電容工作時波動的能量與儲能電容工作時儲存的最多能量之比
權利要求
1.一種單相電壓型變換器消除二次紋波電路，其特征是，它包括交流側、變換器和直流側，所述交流側通過電感與變換器連接，變換器的另一側與直流側連接，在直流側負端與交流側輸入端之間連接電容C。
2.如權利要求I所述一種單相電壓型變換器消除二次紋波電路，其特征是，所述交流側分為第一交流端和第二交流端，所述變換器包括并聯的A相橋臂、B相橋臂和電容Cd。，第一交流端通過電感L2與變換器的A相橋臂連接，第二交流端通過電感LI與B相橋臂連接，電容Cd。與直流側連接，第二交流端與直流側負端連接有電容C。
3.如權利要求2所述一種單相電壓型變換器消除二次紋波電路，其特征是，所述A相橋臂由串聯的開關管SI和開關管S2組成，B相橋臂由串聯的開關管S3和開關管S4組成，開關管SI和開關管S2的連接點與電感L2連接，開關管S3和開關管S4的連接點與電感LI連接。
4.如權利要求3所述一種單相電壓型變換器消除二次紋波電路，其特征是，所述開關管SI、開關管S2、開關管S3和開關管S4為場效應管或絕緣柵晶體管。
全文摘要
本發明公開了一種單相電壓型變換器消除二次紋波電路，它包括交流側、變換器和直流側，所述交流側通過電感與變換器連接，變換器與的另一側與直流側連接，在直流側負端與交流側之間連接電容C。本發明提供的電路相比于原有的H橋變換器，將交流側濾波電感一分為二，分別串聯于交流側第一交流端與第二交流端，并在第二交流端與直流側負端之間接入一個附加儲能電容，用來吸收二次紋波功率，從而達到消減直流側二次紋波的目的。
文檔編號H02M1/14GK102969880SQ201210545899
公開日2013年3月13日 申請日期2012年12月14日 優先權日2012年12月14日
發明者王輝, 漆文龍 申請人:山東大學