專利名稱：一種基于交流鏈接技術(shù)的ac-dc變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種AC-DC變換器，具體地說，涉及一種基于交流鏈接技術(shù)的AC-DC變換器。
背景技術(shù)：
在20世紀(jì)70年代以前，AC-DC變換器主要使用二極管和晶閘管兩種電力電子元器件，由于二極管為不可控器件，而晶閘管為半可控器件，因此這種AC-DC變換器只能工作在工頻條件下，并且體積龐大且笨重，會(huì)產(chǎn)生低頻噪音污染的變壓器，因此這種AC-DC變換器裝置功率因數(shù)過低，需要無源濾波器進(jìn)行功率因數(shù)的校正，這種裝置產(chǎn)生低次諧波與基頻接近，不僅給負(fù)載或電網(wǎng)造成污染，而且濾波器的設(shè)計(jì)也非常困難。20世紀(jì)80年代出現(xiàn)了以IGBT為代表的第三代復(fù)合型場(chǎng)控半導(dǎo)體器件，它們開通和關(guān)斷均可由控制極控制，工作頻率大大提高。AC-DC變換主要采用中間存在直流儲(chǔ)能環(huán)節(jié)(DC-Link)的變換器，首先將工頻交流整流成直流，然后將直流逆變成高頻的交流，然后再整流成直流。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以工作在高頻條件下，使得能量變換裝置的體積和重量大大降低，輸出諧波為高次諧波，易于濾除，其濾波器的體積和重量大大降低，效率大大提高。但是，基于DC-Link技術(shù)的變換器無源元件較多，特別是儲(chǔ)能電容，重量和體積占整個(gè)變換器很大的比重，降低電源的功率密度，而且為了提高功率因數(shù)，在大功率條件下(15kff)需要使用無源濾波器進(jìn)行功率因數(shù)的校正這樣產(chǎn)生的諧波分量較大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的AC-DC變換器元器件較多，降低功率密度且需要使用無源濾波器進(jìn)行功率因數(shù)的校正導(dǎo)致諧波分量較大的缺陷，提供一種基于交流鏈接技術(shù)的AC-DC變換器。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下
一種基于交流鏈接技術(shù)的AC-DC變換器，由三相輸入濾波器，每一列與三相輸入濾波器的每一相相連的開關(guān)矩陣，與開關(guān)矩陣輸出端相連的LCC串并聯(lián)諧振電路，與LCC串并聯(lián)諧振電路輸出端相連的高頻變壓器和對(duì)升壓后的電壓進(jìn)行整流的高頻整流器組成，其中M為正整數(shù)。為了實(shí)現(xiàn)三相輸入濾波器的濾波功能，所述三相輸入濾波器包括連接在每一相上的三相濾波電感，一端分別與三相濾波電感中一個(gè)電感的輸出端相連且另一端相互連接形成Y形連接方式的三相濾波電容，其中三相濾波電感的輸出端與開關(guān)矩陣每一列相連。作為一種優(yōu)選，所述開關(guān)矩陣為2X 3矩陣，共有六個(gè)開關(guān)，其中三相濾波電感每
一相的輸出端連接開關(guān)矩陣上每一列上兩個(gè)開關(guān)相連的一端，開關(guān)的另一端與LCC串并聯(lián)諧振電路并聯(lián)。進(jìn)一步的，所述開關(guān)矩陣中的開關(guān)由半導(dǎo)體雙向開關(guān)組成。再進(jìn)一步的，所述LCC串并聯(lián)諧振電路包括電感和相互串聯(lián)的電容C2和電容C3，其中電容C2與開關(guān)矩陣的一個(gè)輸出端相連，電感與開關(guān)矩陣的另一個(gè)輸出端相連，且高頻變壓器與電容C3的輸出端并聯(lián)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果
(I)本發(fā)明包括依次連接的三相輸入濾波器、開關(guān)矩陣、LCC串并聯(lián)諧振電路、高頻變壓器和高頻整流器，無需儲(chǔ)能電容等器件，大大減小了整個(gè)AC-DC變換器的體積。(2)本發(fā)明采用Mx 3的開關(guān)矩陣，與三相輸入濾波器相連以實(shí)現(xiàn)能量的雙向
流動(dòng)，省去中間的直流存儲(chǔ)環(huán)節(jié)，這樣便能夠提高功率密度了，這也是減少儲(chǔ)能電容等器件的根本原因，不僅減小體積、提高效率，同時(shí)節(jié)約了成本，并且該開關(guān)矩陣可根據(jù)每一個(gè)開關(guān)的通斷實(shí)現(xiàn)三相輸入相電壓大小的變換，使線電流與線電壓增幅呈線性關(guān)系且使相位保持一致，這樣便可同時(shí)保證較高的功率因數(shù)和低諧波，提高電源的功率密度，給電網(wǎng)帶來的環(huán)境影響小，使整個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)供電效率更高。(3)本發(fā)明LCC串并聯(lián)諧振電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只需兩個(gè)電容和一個(gè)電感即可實(shí)現(xiàn)，并通過諧振后由高頻變壓器升壓，這樣可與LCC串并聯(lián)諧振電路配合，使低線電壓先工作，高線電壓后工作，效率非常高。


圖1為本發(fā)明一實(shí)施例中的電路原理框圖。圖2為本發(fā)明一實(shí)施例中半導(dǎo)體雙向開關(guān)的電氣符號(hào)圖。圖3為本發(fā)明一實(shí)施例中諧振電流波形圖。圖4為本發(fā)明一實(shí)施例中電容負(fù)載電壓波形圖。圖5為本發(fā)明一實(shí)施例中開關(guān)電流波形圖。圖6為本發(fā)明一實(shí)施例中三相交流相電壓和線電流波形圖。圖7為本發(fā)明一實(shí)施例中電壓和電流THD圖。圖8為本發(fā)明一實(shí)施例中功率因數(shù)測(cè)量值圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，本發(fā)明的實(shí)施方式包括但不限于下列實(shí)施例。
實(shí)施例圖1為本發(fā)明中的一個(gè)具體實(shí)施例，本實(shí)施例中的AC-DC變換器包括
(A)三相輸入濾波器
該三相輸入濾波器包括三個(gè)濾波電容Cl和三個(gè)濾波電感LI，每一個(gè)濾波電感LI接串聯(lián)在每一相輸入端上，每個(gè)濾波電容Cl的一端連接其中一相的濾波電感LI的輸出端,三個(gè)濾波電容Cl的另一端連接在一起，呈Y形連接。其中Ll=IOOy H，Cl=30y F。(B)開關(guān)矩陣
該開關(guān)矩陣由開關(guān)組成，如圖2所示，該開關(guān)為半導(dǎo)體雙向開關(guān)，該開關(guān)矩陣為2 X 3矩陣，共有2行3列6個(gè)半導(dǎo)體雙向開關(guān)，每一個(gè)濾波電感的輸出端連接開關(guān)矩陣每一列上兩個(gè)開關(guān)相連的一端。該開關(guān)矩陣的作用是實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)，并計(jì)算每相輸出的電荷量，使其與相應(yīng)的相電壓的幅值成正比。該半導(dǎo)體雙向開關(guān)即為兩支相連的IGBT，分別為Tl和T2，由圖2可得知，Tl和T2的發(fā)射極相互連接，并分別通過Tl的集電極和T2的集電極形成兩端，得到一個(gè)雙向開關(guān)。(C) LCC串并聯(lián)諧振電路
該串并聯(lián)諧振電路包括電容C2、電容C3和電感L2，電容C2的一端與開關(guān)矩陣第一行的開關(guān)相連，電感L2的一端與開關(guān)矩陣第二行的開關(guān)相連，電容C3與電容C2的另一端串聯(lián)，每相輸出的電荷量是根據(jù)該LCC串并聯(lián)諧振電路諧振電容和諧振電感的數(shù)值計(jì)算的，因此，通過開關(guān)矩陣調(diào)整諧振回路的激勵(lì)電壓。C2=30 μ F，C3=0.1uF, L2=100 μ Η。(D)高頻變壓器
該高片變壓器的輸入端與電容C3并聯(lián)，該高頻變壓器的變比為1: 100，輸出連接一個(gè)2uF的負(fù)載電容器。(E)高頻整流器
該高頻整流器為現(xiàn)有儀器，因此不做過多說明。本發(fā)明的工作過程如下:
在每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，通過控制開關(guān)矩陣，使LCC串并聯(lián)電路連接不同的輸入相，采用瞬時(shí)線電壓合成調(diào)制策略，低線電壓先工作，即相電壓絕對(duì)值最大相和相電壓絕對(duì)值最小相先工作，然后高線電壓工作，即相電壓絕對(duì)值最大相換流相電壓絕對(duì)值中間相后工作，從相電壓絕對(duì)值最小相換流到相電壓絕對(duì)值中間相的換流時(shí)間由以下策略確定:
通過采集三相電壓和負(fù)載電壓的瞬時(shí)值，并根據(jù)LCC串并聯(lián)諧振電路諧振電容和諧振電感的數(shù)值，計(jì)算每相輸出的電荷量，使其與相應(yīng)的相電壓的幅值成正比。與現(xiàn)有技術(shù)相比，采用開關(guān)矩陣，實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)，可以省去中間的直流存儲(chǔ)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)高的功率密度；采用開關(guān)矩陣和LCC串聯(lián)諧振電路，可以使開關(guān)工作在軟開關(guān)條件下，減小損耗，實(shí)現(xiàn)高的效率；根據(jù)三相輸入相電壓的大小，通過控制開關(guān)矩陣的通斷，使線電流幅值與線電壓幅值呈線性關(guān)系，相位保持一致，可以實(shí)現(xiàn)高的功率因數(shù)和低諧波，減小對(duì)電網(wǎng)和負(fù)載的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別如圖3，圖4，圖5，圖6、圖7和圖8所示。圖3為諧振電流波形和電容負(fù)載電壓波形，圖4為電容負(fù)載電壓波形，圖5為開關(guān)換流波形，表明變換器能夠?qū)崿F(xiàn)零電流開關(guān)和自然軟切換，圖6為三相輸入線電流波形與相電壓波形，線電流能很好的跟隨相電壓，三相輸入線電流和相電壓相位保持一致，每相電壓和電流總諧波含量(THD)如圖7所示，電壓THD分別為1.2%,1.4%和1.3%,對(duì)應(yīng)的電流THD為9.5%, 9.5%和8.5%,圖8為功率因數(shù)測(cè)量值，在工作時(shí)間內(nèi)平均值為0.99。按照上述實(shí)施例，便可很好地實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.一種基于交流鏈接技術(shù)的AC-DC變換器，其特征在于，由三相輸入濾波器，每一列與三相輸入濾波器的每一相相連的Mx 3的開關(guān)矩陣，與開關(guān)矩陣輸出端相連的LCC串并聯(lián)諧振電路，與LCC串并聯(lián)諧振電路輸出端相連的高頻變壓器和對(duì)升壓后的電壓進(jìn)行整流的高頻整流器組成，其中M為正整數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于交流鏈接技術(shù)的AC-DC變換器，其特征在于，所述三相輸入濾波器包括連接在每一相上的三相濾波電感，一端分別與三相濾波電感中一個(gè)電感的輸出端相連且另一端相互連接形成Y形連接方式的三相濾波電容，其中三相濾波電感的輸出端與開關(guān)矩陣每一列相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于交流鏈接技術(shù)的AC-DC變換器，其特征在于，M=2,所述開關(guān)矩陣為2x3矩陣，共有六個(gè)開關(guān)，其中三相濾波電感每一相的輸出端連接開關(guān)矩陣上每一列上兩個(gè)開關(guān)相連的一端，開關(guān)的另一端與LCC串并聯(lián)諧振電路并聯(lián)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于交流鏈接技術(shù)的AC-DC變換器，其特征在于，所述開關(guān)矩陣中的開關(guān)由半導(dǎo)體雙向開關(guān)組成。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于交流鏈接技術(shù)的AC-DC變換器，其特征在于，所述LCC串并聯(lián)諧振電路包括電感和相互串聯(lián)的電容C2和電容C3，其中電容C2與開關(guān)矩陣的一個(gè)輸出端相連，電感 與開關(guān)矩陣的另一個(gè)輸出端相連，且高頻變壓器與電容C3并聯(lián)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于交流鏈接技術(shù)的AC-DC變換器，屬于強(qiáng)電領(lǐng)域。本發(fā)明由三相輸入濾波器，每一列與三相輸入濾波器的每一相相連的開關(guān)矩陣，與開關(guān)矩陣輸出端相連的LCC串并聯(lián)諧振電路，與LCC串并聯(lián)諧振電路輸出端相連的高頻變壓器和對(duì)升壓后的電壓進(jìn)行整流的高頻整流器組成。通過上述連接，本發(fā)明克服現(xiàn)有技術(shù)中的AC-DC變換器元器件較多，降低功率密度且需要使用無源濾波器進(jìn)行功率因數(shù)的校正導(dǎo)致諧波分量較大的缺陷，不僅體積小，電源的功率密度高，同時(shí)由于諧波分量較低給電網(wǎng)帶來的環(huán)境影響小，使整個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)供電效率更高，適合推廣使用。
文檔編號(hào)H02M5/293GK103078525SQ201310012460
公開日2013年5月1日 申請(qǐng)日期2013年1月14日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月14日
發(fā)明者張政權(quán), 劉慶想, 李偉, 王慶峰, 楊賀 申請(qǐng)人:西南交通大學(xué)