CN101951168B - 高压转低压交流变换器 - Google Patents

Abstract

一种电力电子技术领域的高压转低压交流变换器，包括：依次串联的交流斩波电路、高频变压器电路、整流滤波电路、波形变换电路和工频逆变电路，交流斩波电路将输入高压工频交流电压转换成高频脉冲高压交流电压并输出至高频变压器电路，高频变压器电路将高频脉冲高压交流电压转换为高频脉冲低压交流电压并输出至整流滤波电路，整流滤波电路将高频脉冲低压交流电压转换为全波直流电压并输出至波形变换电路，波形变换电路将全波直流电压升压并加入输入电流跟踪后输出至工频逆变电路，工频逆变电路将直流电压逆变成工频交流正弦波电压或交流方波电压并输出。本发明体积小、重量轻、效率高、成本低廉、设计简单、可靠性高且能单位功率因数运行的交交变换电路。

Description

高压转低压交流变换器

技术领域

本发明涉及的是一种电力电子技术领域的装置，具体是一种功率因数接近于1的高压转低压交流变换器。

背景技术

传统的交交变换器通常使用交流变压器，它的输出电压是由初级线圈和次级线圈的变比确定，很难得到任意的电压值。并且由于主要采用铜和铁为主要材料，体积大且非常笨重。另外这种交流变压器带非阻性负载时电流畸变严重，功率因数很低，对电网造成污染。电力电子变压器是电力变压器的一种替代产品，正在得到关注和发展，可以连接高压或低压交流高频电网。电力电子变压器存在许多急需解决的问题。

经过对电力电子变压器现有技术的检索发现，华中科技大学.“电力电子变压器”.申请号：02139030.4，公开日：2003.03.12；以及WANG JUN等，“智能电网技术””.IEEE Trans.onIndustry Electronics Magzine(工业电子杂志).2009年6月.中公开了一种主要由初、次级功率变换器以及联系二者之间的高频变压器组成的电力电子变压器。电力电子变压器的特点为：它可以实现对变压器原副边电压幅值和相位的灵活控制，从而满足未来电力系统很多新的要求，属于智能电网的重要组成部分。电力电子变压器采用电力电子变流技术和高频变压器，具有提高供电可靠性、改善电能质量并且体积小、重量轻、环保效果好等一系列优点。

但是经过细致分析，上述文献所涉及的技术上存在一些不足，如电路结构庞杂，控制难度高，难以实施，网侧功率因数控制复杂，除了技术之外的各项指标如效率、可靠性、成本、体积等方面的指标均难以提升。

基于文献检索和查新结果，目前为止，电力电子变压器的发展仍然处于起始阶段，电路拓扑和控制算法仍然处于已有基本变换器拓扑组合和控制算法沿用阶段，表现为拓扑复杂和控制繁琐，功能缺陷，具有成本高、体积大和可靠性低等不足。为此需要提出新的电路拓扑和控制算法，使电力电子变压器具有控制简单和单位输入功率因数等优点。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种高压转低压交流变换器，体积小、重量轻、效率高、成本低廉、设计简单、可靠性高且能单位功率因数运行的交交变换电路。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：依次串联的交流斩波电路、高频变压器电路、整流滤波电路、波形变换电路和工频逆变电路，其特征在于：交流斩波电路将输入高压工频交流电压转换成高频脉冲高压交流电压并输出至高频变压器电路，高频变压器电路将高频脉冲高压交流电压转换为高频脉冲低压交流电压并输出至整流滤波电路，整流滤波电路将高频脉冲低压交流电压转换为全波直流电压并输出至波形变换电路，波形变换电路将全波直流电压升压并加入输入电流跟踪后输出至工频逆变电路，工频逆变电路将直流电压逆变成工频交流正弦波电压或交流方波电压并输出。

所述的交流斩波电路包括：第一滤波电路和与之相连的用于交流斩波的单相矩阵变换器，其中：单相矩阵变换器包括四个桥接的单相变换单元，每个单相变换单元由两个逆向串联的绝缘栅双极型晶体管和与之对应并联的功率二极管组成；第一和第二单相变换单元的输出端为交流斩波电路的输出端，第一滤波电路包括与交流斩波电路输入端相串联的第一电感和与交流斩波电路输入端相并联的第一电容。

所述的高频变压器电路具体为高频变压器，该高频变压器的初级绕组与交流斩波电路的输出端相连，次级绕组与整流滤波电路输入端相连。

所述的整流滤波电路包括：两个整流二极管和两个电解电容，其中：第九整流二极管和第一电解电容正相串联后并联于高频变压器电路的输出端，第十整流二极管和第二电解电容反向相串联后并联于高频变压器电路的输出端，第一电解电容的正极和第二电解电容负极构成整流滤波的输出端。

所述的波形变换电路包括：一个逆导型开关、一个电感、一个功率二极管和第三电解电容，其中：第二电感与第十一功率二极管相串联，第二电解电容并联于波形变换电路的输出端，逆导型开关S9的两端与第三电解电容的负极相连。

所述的工频逆变电路包括：四个桥接的变换单元和并联于工频逆变电路输出端的电阻和电容，每个变换单元为绝缘栅双极型晶体管和反并联的功率二极管组成的逆导型开关，四个变换单元形成两个桥臂，桥臂中点构成工频逆变电路的输出端。

本发明根据高频交流斩波、高频变压器以及波形变换的工作原理以及采用高压大功率SiCIGBT来提高电力电子变压器的电压等级等，设计制作了一种支持单位功率因数的高压大功率新型交交变换电路，因而具有设计构思新颖、通用性强等特征，同时具有结构简单、体积小、重量轻、效率高、实现容易等优点，还支持较宽范围功率输出，适用于各种交流电压应用场合。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例包括：交流斩波电路1、高频变压器电路2、整流滤波电路3、波形变换电路4、工频逆变电路5，其中：交流斩波电路1将输入高压工频交流电压转换成高频脉冲高压交流电压并输出至高频变压器电路2，高频变压器电路2将高频脉冲高压交流电压转换为高频脉冲低压交流电压并输出至整流滤波电路3，整流滤波电路3将高频脉冲低压交流电压转换为全波直流电压并输出至波形变换电路4，波形变换电路4将全波直流电压升压并加入输入电流跟踪后输出至工频逆变电路5，工频逆变电路5将直流电压逆变成工频交流正弦波电压或交流方波电压并输出。

所述的交流斩波电路1包括：电感L1、交流电容C1，SiC IGBT S1～S8和功率二极管D1～D8，其中：电感L1的一端与交流电源的一端相连，电容C1的一端与电感L1的另一端相连后与交流斩波电路的SiC IGBT S1的集电极相连，交流电容C1的另一端与交流电源的另一端相连后与交流斩波电路的SiC IGBT S4的集电极相连。SiC IGBT S1的集电极、SiC IGBT S5的集电极、功率二极管D1的阴极与功率二极管D5的阴极相连，SiC IGBT S1的发射极、功率二极管D1的阳极、SiC IGBT S2的发射极与功率二极管D2的阳极相连，SiC IGBT S5的发射极、功率二极管D5的阳极、SiC IGBT S6的发射极与功率二极管D6的阳极相连，SiC IGBT S2的集电极、功率二极管D2的阳极、SiC IGBT S3的集电极、功率二极管D3的阴极相连后与高频变压器电路中高频变压器T1的初级绕组的一端相连，SiC IGBT S6的集电极、功率二极管D6的阳极、SiC IGBT S7的集电极、功率二极管D7的阴极相连后与高频变压器电路中高频变压器T1初级绕组的另一端相连，SiC IGBT S3的发射极、功率二极管D3的阳极、SiC IGBT S4的发射极与功率二极管D4的阳极相连，SiC IGBT S7的发射极、功率二极管D7的阳极、SiC IGBT S8的发射极与功率二极管D8的阳极相连，SiC IGBT S4的集电极、SiC IGBT S8的集电极、功率二极管D4的阴极与功率二极管D8的阴极相连。

所述的高频变压器电路2电路包括：高频变压器T1，其中：高频变压器T1次级绕组的一端与整流滤波电路的二极管D9的阳极相连后与二极管D10的阴极相连，高频变压器T1次级绕组的另一端与整流滤波电路的电解电容E1的阴极相连后与电解电容E2的阳极相连。

所述的整流滤波电路3包括：二极管D9～D10和电解电容E1～E2，其中：二极管D9的阴极与电解电容E1的阳极相连后与波形变换电路中电感L2的一端相连，二极管D10的阳极与电解电容E2的阴极相连后与波形变换电路中逆导型开关S9的发射极相连。

所述的波形变换电路4包括：电感L2、逆导型开关S9、电解电容E3和二极管D11，其中：电感L2的另一端与逆导型开关S9的集电极相连后与二极管D11的阳极相连，逆导型开关S9的集电极与二极管D11的阳极相连，逆导型开关S9的发射极与电解电容E3的负极相连，二极管D11的阴极与电解电容E3的正极相连。

所述的工频逆变电路5包括：逆导型开关S10～S13、交流电容C2和电阻R1，其中：逆导型开关S10的集电极、逆导型开关S12的集电极相连后与波形变换电路中的二极管D12的阴极相连，逆导型开关S10的发射极、逆导型开关S11的集电极、电阻R1的一端与交流电容C2的一端相连后与输出交流电压的火线L相连，逆导型开关S12的发射极、逆导型开关S13的集电极、电阻R1的另一端与交流电容C2的另一端相连后与输出交流电压的零线N相连，逆导型开关S11的发射极、逆导型开关S13的发射极相连后与波形变换电路中的电解电容E3的负极相连。

本发明的工作原理为：

交流斩波电路中，采用单相矩阵变换器结构，将输入的高压工频交流电压变换成交流高频PWM电压脉冲，输入到后级高频变压器电路。输入LC滤波器将交流斩波形成的脉冲电流滤波成为光滑的电流，降低网侧电流谐波。高频变压器将原边的高压交流高频脉冲电压转换为低压交流高频脉冲电压。整流滤波电路将高频交流脉冲电压整流滤波为全波直流电压。波形变换电路实现升压作用并使电流跟踪电压，从而实现单位功率因数。工频逆变电路将直流电压逆变成为交流正弦电压或交流方波电压。整个装置完成由高压交流电压到低压交流电压的变换，并能实现高输入功率因数运行。

本实施例中：输入交流电压6kV，输出有效值为220V的交流正弦或方波电压，额定输出功率10kW。高压电感L1取1mH，电感L2取2mH。高压交流电容C1取4x100nF，6kV耐压，实际上每两并联后串联，分散就近布置。电阻R1取50kΩ5W，交流电容C2取100nF，400V。SiC IGBT S1～S8和二极管D1～D8耐压15kV，允许通过电流10A。二极管D9～D11耐压400V，允许通过电流75A，反向快速恢复型。电解电容E1～E3取220uF，400V。高频变压器T1为高压高频开关变压器，电压变比为50∶1。逆导型开关S10～S13耐压400V，允许通过电流75A。

本装置中采用了波形变换电路、储能电路以及交流斩波电路的使用能够带来有益结果：获得网侧单位功率因数，使得整个线路中无功电流成分最小化，改善变换器的变换特性。而且带来结构简单、设计容易、体积减少和可靠性高等优点。

Claims (2)

1.一种高压转低压交流变换器，包括：依次串联的交流斩波电路、高频变压器电路、整流滤波电路、波形变换电路和工频逆变电路，其特征在于：交流斩波电路将输入高压工频交流电压转换成高频脉冲高压交流电压并输出至高频变压器电路，高频变压器电路将高频脉冲高压交流电压转换为高频脉冲低压交流电压并输出至整流滤波电路，整流滤波电路将高频脉冲低压交流电压转换为全波直流电压并输出至波形变换电路，波形变换电路将全波直流电压升压并加入输入电流跟踪后输出至工频逆变电路，工频逆变电路将直流电压逆变成工频交流正弦波电压或交流方波电压并输出；

所述的交流斩波电路包括：第一滤波电路和与之相连的用于交流斩波的单相矩阵变换器，其中：单相矩阵变换器包括四个桥接的单相变换单元，每个单相变换单元由两个逆向串联的绝缘栅双极型晶体管和与之对应并联的功率二极管组成，共八个晶体管和八个功率二极管，即第一~第八晶体管和第一~第八功率二极管；第一滤波电路包括与交流斩波电路输入端相串联的第一电感和与交流斩波电路输入端相并联的第一电容；具体电路连接为：第一电感的一端与交流电源的一端相连，第一电容的一端与第一电感的另一端相连后与交流斩波电路的第一晶体管的集电极相连，第一电容的另一端与交流电源的另一端相连后与交流斩波电路的第四晶体管的集电极相连；第一晶体管的集电极、第五晶体管的集电极、第一功率二极管的阴极与第五功率二极管的阴极相连，第一晶体管的发射极、第一功率二极管的阳极、第二晶体管的发射极与第二功率二极管的阳极相连，第五晶体管的发射极、第五功率二极管的阳极、第六晶体管的发射极与第六功率二极管的阳极相连，第二晶体管的集电极、第二功率二极管的阴极、第三晶体管的集电极、第三功率二极管的阴极相连后与高频变压器电路中高频变压器的初级绕组的一端相连，第六晶体管的集电极、第六功率二极管的阴极、第七晶体管的集电极、第七功率二极管的阴极相连后与高频变压器电路中高频变压器初级绕组的另一端相连，第三晶体管的发射极、第三功率二极管的阳极、第四晶体管的发射极与第四功率二极管的阳极相连，第七晶体管的发射极、第七功率二极管的阳极、第八晶体管的发射极与第八功率二极管的阳极相连，第四晶体管的集电极、第八晶体管的集电极、第四功率二极管的阴极与第八功率二极管的阴极相连；

所述的高频变压器电路具体为高频变压器，该高频变压器的初级绕组与交流斩波电路的输出端相连，次级绕组与整流滤波电路输入端相连；

所述的整流滤波电路包括：两个整流二极管和两个电解电容，其中：高频变压器次级绕组的一端与整流滤波电路的第九整流二极管的阳极相连后与第十整流二极管的阴极相连，高频变压器次级绕组的另一端与整流滤波电路的第一电解电容El的阴极相连后与第二电解电容的阳极相连，第九整流二极管的阴极与第一电解电容的阳极相连后与波形变换电路中第二电感的一端相连，第十整流二极管的阳极与第二电解电容的阴极相连后与波形变换电路中逆导型开关S9的发射极相连，第一电解电容的正极和第二电解电容负极构成整流滤波电路的输出端；

所述的波形变换电路包括：一个逆导型开关S9、第二电感、第十一功率二极管和第三电解电容，其中：第二电感的另一端与逆导型开关S9的集电极相连后与第十一功率二极管的阳极相连，逆导型开关S9的集电极与第十一功率二极管的阳极相连，逆导型开关S9的发射极与第三电解电容的负极相连，第十一功率二极管的阴极与第三电解电容的正极相连，第三电解电容并联于波形变换电路的输出端。

2.根据权利要求1所述的高压转低压交流变换器，其特征是，所述的工频逆变电路包括：四个桥接的变换单元和并联于工频逆变电路输出端的电阻和电容，每个变换单元为绝缘栅双极型晶体管和反并联的功率二极管组成的逆导型开关，四个变换单元形成两个桥臂，桥臂中点构成工频逆变电路的输出端。

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