[發明專利]基于Cuk變換器的高頻隔離式三電平交-交變換器

有效

• 申請號: 200910035052.1
• 申請日: 2009-09-15
• 公開（公告）號: CN102025281A
• 公開（公告）日: 2011-04-20
• 發明（設計）人: 朱玲;李磊;胡偉;趙勤
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: H02M5/22
• 分類號: H02M5/22
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 唐代盛

技術領域

本發明屬于電力電子變換技術，特別是一種基于Cuk變換器的高頻隔離式三電平交-交變換器。

背景技術

交-交(AC-AC)變換技術是應用功率半導體器件，將某一頻率和幅值的交流電能轉換成同一或另一頻率和幅值的交流電能的一種變流技術，廣泛地應用于國防、工礦企業、科研院所、大學實驗室和日常生活中。

迄今為止，國內外電力電子研究人員對于交-交變換器的研究，主要集中在非電氣隔離式、低頻和高頻電氣隔離式等兩電平交-交變換器；對于多電平變換器的研究，主要集中在多電平直-直、直-交和交-直變換器，而對于多電平交-交變換器的研究則非常少，且僅僅局限于非隔離式、低頻或中頻隔離式交-直-交型多電平交-交變換器、Buck型非隔離式交-交型三電平交-交變換器和Zeta型非隔離式交-交型三電平交-交變換器。交-直-交型多電平交-交變換器、Buck型非隔離式交-交型三電平交-交變換器和Zeta型非隔離式交-交型三電平交-交變換器雖然各具優點，但前者存在電路拓撲復雜、功率變換級數多、輸入側功率因數低、變換效率偏低、功率密度低等缺陷；而后兩者存在拓撲形式單一、無電氣隔離等缺陷。而目前所研究的隔離型三電平拓撲結構大多數只是減小了開關管的電壓應力，變壓器副邊并沒有真正實現三電平，能夠實現真正三電平的隔離型橋式三電平拓撲使用了過多的功率管，變壓器副邊還須要使用周波變換器，存在上下橋臂直通現象。1983年，SLOBODAN?CUK在IEEE國際會議中提出的一種新穎的低紋波直-直開關電源變換器(“A?New?Zero-Ripple?Switching?DC-to-DCConverter?and?Integrated?Magnetics”)，其結構簡單，開關器件少，只有單級功率級數，功率因數高，可實現電氣隔離，只是開關管所承受的電壓比較高，不能廣泛應用與高壓大電流場合。

發明內容

為解決大功率電源功率開關管電壓應力過大，交-交變換器普遍變換級數多，電路復雜且不具有電氣隔離功能的缺點，本發明提供一種基于Cuk變換器的高頻隔離式三電平交-交變換器，其具有單級功率變換、雙向功率流、輸出濾波器前端電壓頻譜特性好、可升降壓變換、降低開關器件的電壓應力、有效實現電氣隔離等優點。

實現本發明目的的技術解決方案為：一種基于Cuk變換器的高頻隔離式三電平交-交變換器，包括輸入交流電源、輸入濾波器、隔離式Cuk三電平交流變換單元、輸出濾波器、輸出交流負載；所述輸入濾波器包括輸入濾波電感、輸入濾波電容，輸入濾波電感與輸入濾波電容相連接，二者接頭處引出線為輸入濾波器的第一輸出端，輸入濾波電感的另一端接輸入交流電源的參考正極，輸入濾波電容的另一端接輸入交流電源的參考負極，輸入交流電源的參考負極接地，輸入濾波電容與輸入交流電源參考負極相連的端口為輸入濾波器的第二輸出端；隔離式Cuk三電平交流變換單元包括輸入儲能電感、第一雙向功率開關管、第二雙向功率開關管、第三雙向功率開關管、第四雙向功率開關管、第一耦合電容、第二耦合電容、第三耦合電容、第四耦合電容、第一隔離變壓器、第二隔離變壓器；輸入儲能電感的一端接輸入濾波器的第一輸出端，輸入儲能電感的另一端接第一雙向功率開關管的輸入端和第一耦合電容的一端，第一耦合電容的另一端接第一隔離變壓器的原邊輸入端，第一隔離變壓器的原邊輸出端接第一雙向功率開關管輸出端，且兩者接線引出端接第二雙向功率開關管的輸入端和第二隔離變壓器原邊輸入端，第二隔離變壓器原邊輸出端接第二耦合電容的一端，第二耦合電容的另一端接第二雙向功率開關管的輸出端，且兩者接頭引出線接輸入濾波器的第二輸出端；第一隔離變壓器的副邊輸入端接第三耦合電容的一端，第三耦合電容的另一端接第三雙向功率開關管的輸入端，且兩者接線引出端接輸出儲能電感一端，輸出儲能電感的另一端為隔離式Cuk三電平交流變換單元的第一輸出端；第三雙向功率開關管的輸出端接第一隔離變壓器的副邊輸出端，且兩者接線引出端接第二隔離變壓器副邊輸入端和第四雙向功率開關管輸入端；第二隔離變壓器副邊輸出端接第四耦合電容的一端，第四耦合電容的另一端接第四雙向功率開關管的輸出端，兩者接線引出端為隔離式Cuk三電平交流變換單元的第二輸出端；輸出濾波器包括輸出濾波電容，該電容的兩端分別接隔離式Cuk三電平交流變換單元的第一輸出端和第二輸出端；輸出濾波電容與輸出交流負載相互并聯，隔離式Cuk三電平交流變換單元的第一輸出端接地。