專利名稱：升壓型高頻環(huán)節(jié)交－交變換器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明所涉及的升壓(Boost)型高頻環(huán)節(jié)交-交(AC/AC)變換器，屬電力電子變換技術。
背景技術：
高頻環(huán)節(jié)變換技術，是指輸出負載與輸入電源間具有高頻電氣隔離(20kHz以上)的功率變換技術，是實現(xiàn)變換器高功率密度以及輸出電壓與輸入電壓匹配的有效途徑。電力電子研究人員對高頻環(huán)節(jié)DC/DC變換器、高頻環(huán)節(jié)AC/DC變換器、高頻環(huán)節(jié)DC/AC逆變器的研究，已取得了顯著的成果，并導致電力電子變換器發(fā)生了巨大的變化1)電氣隔離式DC/DC變換器變得輕巧；2)AC/DC整流電源已由傳統(tǒng)的工頻變壓相控整流電路結構，發(fā)展成了高頻環(huán)節(jié)開關型整流電路結構；3)DC/AC逆變電源已由傳統(tǒng)的低頻環(huán)節(jié)逆變電路結構，發(fā)展成了高頻環(huán)節(jié)逆變電路結構。然而，人們對AC/AC變換器的研究僅僅局限于無電氣隔離的AC/AC變換器、低頻環(huán)節(jié)AC/AC變換器、高頻環(huán)節(jié)AC/DC/AC變換器以及降壓(Buck)、升降壓(Buck-Boost)型高頻環(huán)節(jié)AC/AC變換器。
傳統(tǒng)的可控硅相控變頻器具有實現(xiàn)AC/AC功率變換、輸出電壓頻率一般不超過輸入電壓頻率的三分之一、輸入電壓相數(shù)越多輸出波形也越好、交流負載與交流電網無電氣隔離等特點。直接矩陣變換器和Kolar J.W.等人提出的間接矩陣變換器(電壓傳輸比可突破0.866的理論限制，IEEE IECON，2003，Vol.3，pp.2085～2090)，是一種采用高頻PWM技術將任意頻率和電壓的多相電源直接變換成另一種電源的AC/AC變換器，具有電源側電流波形好、電源側功率因數(shù)高、雙向功率流、輸出電壓頻率可高于或低于輸入電壓頻率、控制復雜、交流負載與交流電網無電氣隔離等特點。Zbigniew Fedyczak等人提出的PWM交流斬波器和低頻環(huán)節(jié)AC-AC變換器(IEEE PESC，2002，pp.1048～1053.)，具有拓撲簡潔、雙向功率流、低頻電氣隔離、變壓器體積和重量大等特點。高頻環(huán)節(jié)AC-DC-AC變換器，存在拓撲復雜、三級功率變換(低頻交流/直流/高頻交流/低頻交流)、變換效率偏低、電源側功率因數(shù)低(O.65左右)、單向功率流、成本偏高等缺陷；Edward R.Ronan等人提出的一種基于有功率因數(shù)校正的高頻環(huán)節(jié)AC-DC-AC變換器的電力電子變壓器(IEEE Trans.on Power Delivery，2002，Vol.17，No.2，pp.537～543.)，存在單向功率流、功率變換級數(shù)多、變換效率低、成本高等缺陷。陳道煉博士提出的Buck型高頻環(huán)節(jié)AC-AC變換器(IEEE PESC，2003，pp.677～682.)，具有雙向功率流、兩級功率變換(LFAC-HFAC-LFAC)、變換效率高、電源側功率因數(shù)偏低、負載短路時可靠性低等特點；Buck-Boost型高頻環(huán)節(jié)AC-AC變換器(《中國電機工程學報》，2004，Vol.24，No.2，pp.98～101)，具有雙向功率流、兩級功率變換(LFAC-HFAC-LFAC)、變換效率高、電源側功率因數(shù)偏低、輸出容量小等特點。
上述Buck、Buck-Boost型高頻環(huán)節(jié)AC-AC變換器雖然具有許多優(yōu)點，但仍存在電源側功率因數(shù)偏低、負載短路時可靠性低(Buck型)、輸出容量小(Buck-Boost型)等缺點。因此，尋求一類負載短路時可靠性高、輸出容量大、能進一步提高電源側功率因數(shù)的新型高頻環(huán)節(jié)AC/AC變換器已迫在眉睫。

發(fā)明內容
本發(fā)明目的是為實現(xiàn)具有高頻電氣隔離、功率密度高、變換效率高、雙向功率流、電源側功率因數(shù)高、負載適應能力強、負載短路時可靠性高、音頻噪音低、成本低和應用前景廣泛的新型交流穩(wěn)壓器、電子變壓器和同頻波形變換器提供關鍵技術。
本發(fā)明的技術方案是將傳統(tǒng)的高頻環(huán)節(jié)AC/DC/AC變換器中的低頻整流(低頻交流/直流)與高頻逆變(直流/高頻交流)兩級功率變換電路一體化、并且在輸入側設置儲能電感，直接將輸入低頻交流調制成高頻交流，省去了低頻整流(低頻交流/直流)變換環(huán)節(jié)，首次提出了Boost型高頻環(huán)節(jié)AC/AC變換器新概念與電路結構。該變換器電路結構，由輸入濾波電路、儲能電感、輸入周波變換器、高頻變壓器、輸出周波變換器以及輸出濾波電路級聯(lián)而成。
本發(fā)明Boost型高頻環(huán)節(jié)交-交變換器具有高頻電氣隔離、電路拓撲簡潔、兩級功率變換(低頻交流/高頻交流/低頻交流)、雙向功率流、變換效率高、電源側功率因數(shù)高、體積小、重量輕、負載適應能力強、負載短路時可靠性高、音頻噪音低、成本低等優(yōu)點，能夠將一種不穩(wěn)定的劣質交流電變換成穩(wěn)定的同頻優(yōu)質正弦交流電。Boost型高頻環(huán)節(jié)AC/AC變換器，比傳統(tǒng)的高頻環(huán)節(jié)AC/DC/AC變換器有更優(yōu)越的綜合性能，有效地克服了Buck、Buck-Boost型高頻環(huán)節(jié)AC-AC變換器存在的電源側功率因數(shù)偏低、負載短路時可靠性低(Buck型)、輸出容量小(Buck-Boost型)等缺陷。


圖1，Boost型高頻環(huán)節(jié)交-交變換器電路結構與原理波形圖，(a)電路結構、(b)原理波形。
圖2，Boost型高頻環(huán)節(jié)交-交變換器電路拓撲族實例圖(一)，(a)單端式電路、(b)推挽全波式電路、(c)推挽橋式電路、(d)半橋全波式電路。
圖3，Boost型高頻環(huán)節(jié)交-交變換器電路拓撲族實例圖(二)，(e)半橋橋式、(f)全橋全波式電路、(g)全橋橋式電路。
圖4，Boost型高頻環(huán)節(jié)交-交變換器電壓瞬時值反饋移相控制原理圖，(a)控制框圖、(b)控制原理波形。
具體實施例方式
Boost型高頻環(huán)節(jié)AC/AC變換器電路結構，由輸入濾波電路、儲能電感、輸入周波變換器、高頻變壓器、輸出周波變換器、以及輸出濾波電路級聯(lián)而成，如圖1所示。其中，圖1(a)為電路結構，圖1(b)為電路原理波形。由于同一時刻變換器輸出的低頻正弦交流電壓的瞬時值uo高于輸入低頻正弦交流電壓的瞬時值ui與高頻變壓器匝比N2/N1的乘積(uiN2/N1)，故將其稱為升壓(Boost)型高頻環(huán)節(jié)AC/AC變換器。該電路結構中的輸入周波變換器和輸出周波變換器均由四象限高頻功率開關構成，能承受雙向電壓應力和雙向電流應力，且儲能電感位于變換器的輸入側。當交流電源向負載傳遞功率時，輸入周波變換器將含有高頻諧波的低頻正弦交流電流調制成雙極性三態(tài)高頻脈沖電流，輸出周波變換器再將其解調成單極性三態(tài)低頻脈沖電流，經輸出濾波器后得到優(yōu)質的低頻正弦交流電壓，位于輸入側的儲能電感和輸入濾波電路易使得電源側正弦電流總的畸變度(THD)小、功率因數(shù)高；當負載向電源回饋能量時，輸出周波變換器將低頻正弦交流電壓調制成雙極性三態(tài)的高頻脈沖電壓，輸入周波變換器再將其解調成單極性三態(tài)的低頻脈沖電壓，經輸入濾波器回饋給輸入交流電源。
由于Boost型高頻環(huán)節(jié)AC-AC變換器的儲能電感位于輸入側，輸入側的電流易于控制，電感電流連續(xù)模式時其輸入電流iL是連續(xù)的(THD小)，對電源產生的電磁干擾(EMI)小；而Buck、Buck-Boost型高頻環(huán)節(jié)AC-AC變換器的輸入電流是斷續(xù)的(THD大)，輸入電流脈動大，對電源產生的EMI大。故Boost型高頻環(huán)節(jié)AC-AC變換器的輸入電流i1的畸變因數(shù){1/(1+THD2)1/2}將比Buck、Buck-Boost型大得多，也就是說相同輸入濾波器時Boost型高頻環(huán)節(jié)AC-AC變換器的輸入電流ii的畸變因數(shù){1/(1+THD2)1/2}將比Buck、Buck-Boost型大得多；又由于相同輸入濾波器、輸出濾波器和負載功率因數(shù)時，Boost型高頻環(huán)節(jié)AC-AC變換器輸入電流ii與輸入電壓ui的相移因數(shù)與Buck、Buck-Boost型相同，而電源側的功率因數(shù)＝畸變因數(shù)*相移因數(shù)，故相同輸入濾波器、輸出濾波器和負載功率因數(shù)時，Boost型高頻環(huán)節(jié)AC-AC變換器的電源側功率因數(shù)將比Buck、Buck-Boost型高得多。
當負載短路時，由于Boost、Buck-Boost型高頻環(huán)節(jié)AC-AC變換器的儲能電感可以起到限流作用，因而其功率開關電流的上升率不變、允許的保護電路動作時間長、變換器的可靠性高；而Buck型高頻環(huán)節(jié)AC-AC變換器不存在儲能電感，負載短路時其功率開關電流的上升率增大、允許的保護電路動作時間短、變換器的可靠性低。故Boost、Buck-Boost型高頻環(huán)節(jié)AC-AC變換器負載短路時的可靠性將比Buck型高頻環(huán)節(jié)AC-AC變換器高。
由于Buck、Boost型高頻環(huán)節(jié)AC-AC變換器的電氣隔離元件為高頻變壓器，磁芯工作在雙向對稱磁化狀態(tài)，能夠輸出的功率大；而Buck-Boost型高頻環(huán)節(jié)AC-AC變換器的電氣隔離元件為高頻儲能式變壓器，電感電流斷續(xù)工作模式，磁芯單向磁化，能夠輸出的功率小，故Buck、Boost型高頻環(huán)節(jié)AC-AC變換器的輸出容量將比Buck-Boost型高頻環(huán)節(jié)AC-AC變換器的輸出容量大。
因此，Boost型高頻環(huán)節(jié)AC-AC變換器，不但比傳統(tǒng)的高頻環(huán)節(jié)AC/DC/AC變換器有更優(yōu)越的綜合性能，而且有效地克服了Buck、Buck-Boost型高頻環(huán)節(jié)AC-AC變換器存在的電源側功率因數(shù)偏低、負載短路時可靠性低(Buck型)、輸出容量小(Buck-Boost型)等缺陷，在要求電源側功率因數(shù)高、負載短路時可靠性高的大容量電能變換場合具有顯著的優(yōu)勢和重要的地位。
Boost型高頻環(huán)節(jié)AC/AC變換器電路拓撲族的實施例，如圖2、3所示。該電路拓撲族中，圖2(a)為單端式電路，圖2(b)為推挽全波式電路，圖2(c)為推挽橋式電路，圖2(d)為半橋全波式電路，圖3(e)半橋橋式電路，圖3(f)為全橋全波式電路，圖3(g)為全橋橋式電路。該電路拓撲族適用于相同頻率的交流電變換，可用來實現(xiàn)具有優(yōu)良性能和廣泛應用前景的新型交流穩(wěn)壓器(如220V±10％50HzAC/220V50HzAC)、電子變壓器(如115V400HzAC/36V400HzAC)和同頻波形變換器(如220V±10％50Hz方波/220V50Hz正弦波)。從輸入周波變換器看，推挽式、半橋式電路高頻功率開關承受的最大電壓應力為兩倍折算到原邊的輸出交流電壓幅值(2UomN1/N2)，全橋式電路高頻功率開關承受的最大電壓應力為折算到原邊的輸出交流電壓幅值(UomN1/N2)。從輸出周波變換器看，全波式電路高頻功率開關電壓應力為兩倍的輸出交流電壓幅值(2Uom)，變壓器副邊繞組利用率低；橋式電路高頻功率開關電壓應力為輸出交流電壓幅值(Uom)，變壓器副邊繞組利用率高。故推挽全波式、半橋全波式、全橋全波式電路適用于低壓大電流輸出變換場合，推挽橋式、半橋橋式、全橋橋式電路適用于高壓小電流輸出變換場合，而單端式電路高頻功率開關S1、S4、S1′、S4′承受的最大電壓應力分別為(UomN1/N2)、(UimN1/Np)、[Uim-Uom(Nl-Np)/N2]、(UimN2/Np)(Np為變壓器原邊繞組中間抽頭以上部分)，故適用于低壓輸入、低壓輸出逆變場合。單端式、半橋式、推挽式和全橋式電路分別適用于小、中、大功率變換場合。
Boost型高頻環(huán)節(jié)交-交變換器采用電壓瞬時值反饋移相控制原理，如圖4所示。該控制原理中，圖4(a)為控制框圖、圖4(b)為控制原理波形；當該控制原理應用于圖2(a)所示單端式電路時，則不需要S2(S2′)、S3(S3′)兩路驅動信號。將變換器輸出的正弦交流電壓反饋信號uof與基準正弦信號uref比較，經誤差放大器后得到了誤差放大信號ue，該誤差放大信號ue經絕對值電路后與鋸齒載波發(fā)生器發(fā)出的信號uc比較得到了SPWM信號uk3，鋸齒載波發(fā)生器發(fā)出的信號uc經下降沿二分頻電路后得到脈沖信號uk1，uk1經非門電路得到脈沖信號uk2，SPWM信號uk3分別與脈沖信號uk、ulk2經或門電路和驅動電路后驅動四象限高頻功率開關S1(S1′)、S2(S2′)，SPWM信號uk3分別與脈沖信號ukl、uk2經或門電路、非門電路和驅動電路后驅動四象限高頻功率開關S3(S3′)、S4(S4′)。因此，當輸入電壓或負載變化時，通過改變驅動信號的占空比D，即可實現(xiàn)變換器輸出電壓的穩(wěn)定與調節(jié)。
對于圖2(a)單端式電路來說，D＝Ton/TS就是四象限高頻功率開關S1、S1′的占空比(Ts為高頻開關周期)；對于圖2(b)～2(d)、圖3(e)～3(g)所示推挽、半橋、全橋式電路來說，輸入周波變換器的四象限高頻功率開關S1(S1′)與S2(S2′)的占空比相差180°且大于0.5，其共同導通時間為Tcom＝Ts·θ/360°、占空比D＝Tcom/(Ts/2)＝θ/180°(θ為共同導通時間所對應的角度)。
權利要求
1.一種升壓型高頻環(huán)節(jié)交-交變換器，其特征在于這類變換器電路結構由輸入濾波電路、儲能電感、輸入周波變換器、高頻變壓器、輸出周波變換器以及輸出濾波電路級聯(lián)而成。
2.根據(jù)權利要求1所述的升壓型高頻環(huán)節(jié)交-交變換器，其特征在于這類變換器的輸入周波變換器和輸出周波變換器均由四象限高頻功率開關構成，輸出濾波電路僅由電容電路組成，儲能電感位于變換器輸入側。
3.根據(jù)權利要求1所述的升壓型高頻環(huán)節(jié)交-交變換器，其特征在于這類變換器電路拓撲族包括單端式、推挽全波式、推挽橋式、半橋全波式、半橋橋式、全橋全波式、全橋橋式電路。
全文摘要
一種升壓型高頻環(huán)節(jié)交－交變換器屬電力電子變換技術，其電路結構由儲能電感、輸入周波變換器、高頻變壓器、輸出周波變換器以及輸入、輸出濾波電路級聯(lián)而成，能夠將一種不穩(wěn)定的劣質交流電變換成穩(wěn)定的同頻優(yōu)質正弦交流電，具有高頻電氣隔離、電路拓撲簡潔、兩級功率變換、雙向功率流、電源側功率因數(shù)高、變換效率高、體積小、重量輕、負載適應能力強、負載短路時可靠性高、音頻噪音低、成本低等優(yōu)點，為新型正弦交流穩(wěn)壓器、電子變壓器和同頻波形變換器奠定了關鍵技術。
文檔編號H02M5/02GK1794549SQ20061001810
公開日2006年6月28日 申請日期2006年1月1日 優(yōu)先權日2006年1月1日
發(fā)明者陳道煉 申請人:福州大學