[發明專利]雙Boost逆變前級高頻鏈矩陣式三相四臂對變換拓撲

無效

• 申請號: 200910175411.3
• 申請日: 2009-11-06
• 公開（公告）號: CN101702589A
• 公開（公告）日: 2010-05-05
• 發明（設計）人: 閆朝陽;張微;張純江;鄔偉揚;李建霞;賈民立;張茜
• 申請（專利權）人: 燕山大學
• 主分類號: H02M7/48
• 分類號: H02M7/48
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及雙Boost逆變前級高頻鏈矩陣式三相四臂對變換拓撲，屬于隔離型高頻功率 變換領域。

背景技術

逆變電路是一種把直流電能裝換成交流電能的拓撲裝置。

傳統逆變器常分為方波輸出型和正弦波輸出型，當涉及隔離及升降壓時需要在逆變器輸 出(或公共電網之間)加入工頻變壓器，具有體積大、重量沉、工頻噪聲以及動態響應差等 缺點。

高頻鏈逆變器采用高頻變壓器替代工頻變壓器克服了傳統變壓器隔離應用的缺點。高頻 鏈逆變器的功率特征是DC/HFAC/LFAC三步功率變換過程，其中，HFAC：高頻交流，LFAC： 低頻交流，可見此類逆變器中出現了AC/AC即交流/交流變換環節，該環節也常稱為周波變 換器或矩陣變換器環節。矩陣變換器與傳統變換器相比，沒有中間儲能環節，采用雙向開關， 可以實現能量的雙向流動，結構緊湊、體積小、效率高，且輸出電壓幅值和頻率可以獨立控 制。

在三相交流電的應用中不平衡問題是一個嚴重問題，三相不平衡問題包括兩個方面，即 三相負載不平衡和三相電源不平衡。三相負載不平衡是指三相系統中的負載阻抗不完全相等， 三相電源不平衡是指三相電力系統中的三相電動勢不平衡。在三相逆變設備中，主要指由于 負載不平衡引起的三相輸出電壓不平衡，而且在一般場合的電源系統中，負載還往往是不平 衡且變化的，這就要求逆變器形成三相四線輸出制。目前為止，現有技術中出現了單向開關 非隔離三相四臂對逆變器，但沒有采用雙向開關的隔離型矩陣式逆變器的相關文獻和報導。

發明內容

本發明的目的在于提供一種可以節省開關器件和開關損耗，又可以解決三相平衡問題， 同時兼具高頻鏈和矩陣式變換器優點的高功率密度能量變換拓撲。所設計的主電路拓撲將三 相四臂對技術應用到矩陣式逆變器拓撲中，并將其用作高頻鏈逆變器的后級，不但可以解決 三相負載不平衡的問題，還兼具矩陣變換器和高頻鏈變換的優點。

本發明的技術方案是雙Boost逆變前級高頻鏈矩陣式三相四臂對功率變換結構，包括雙 Boost高頻逆變電路，高頻隔離變壓器，矩陣式三相四臂對變換器。雙Boost高頻逆變電路實 現直流向高頻交流的轉變并將其輸出作為高頻隔離變壓器的原邊輸入，高頻隔離變壓器起到 隔離和能量傳輸的作用其副邊輸出作為矩陣式三相四臂對變換器的輸入，矩陣式三相四臂對 變換器起到高頻單相交流向低頻三相交流轉換的作用具有帶三相不平衡負載的能力。

本發明的有益效果是：高頻鏈前級采用雙Boost電路驅動，高頻鏈后級結合了三相四臂 對和矩陣式變換器的優點，有效減少了開關個數和開關損耗，同時解決了三相不平衡負載的 問題。本發明采用高頻鏈功率變換可以解決工頻變壓器笨重的缺點，采用升壓可調幅逆變使 得變壓器的設計更為簡潔且可以減少其寄生參數影響，以具有交流/交流變換能力的四臂對三 相輸出型矩陣變換器解決負載不平衡的影響，是一種新型實用的功率變換拓撲。

附圖說明

圖1為本發明所采用的前級雙Boost高頻逆變電路拓撲。

圖2為本發明所采用的共集電極反向串聯IGBT組合雙向功率開關

圖3為本發明提出的具有雙Boost前級電路的高頻鏈矩陣式三相四臂對變換拓撲。

具體實施方式

圖1為所設計的雙Boost高頻逆變電路拓撲。它由兩個全控開關和兩個儲能電感組成， 兩個全控開關M1和M2的觸發脈沖G1和G2為兩重兩相的，并且相位相差180度的方波脈 沖。該雙Boost高頻逆變電路的結構類似普通的交錯并聯型的雙Boost?DC/DC變換電路。不 同的是雙Boost高頻逆變電路的輸出省去了其中的二極管，且直接在二極管的位置掛接負載， 從而變直流輸出為高頻交流輸出。通過控制兩個Boost變換器交替工作，可以實現DC/HFAC 的能量變換。本逆變主電路采用功率場效應管M1、M2，電感L1、L2連接而成，兩個場效 應管的源極及漏極分別接在直流輸入電源DC的低電位端和電感L1、L2之間，電感L1、L2 分別連接在直流輸入電源DC的高電位端和場效應管M1、M2的漏極之間，場效應管M1和 電感L1的聯接點以及場效應管M2和電感L2的聯接點作為該升壓變變換器器的輸出端。

圖2為共集電極反向串聯IGBT組合雙向開關可以流動交流電能，為能量雙向流動提供 通路。此開關時構成矩陣式三相四橋臂變換器的基本功率器件。

圖3為雙Boost逆變前級高頻鏈矩陣式三相四臂對變換拓撲總成圖。本設計的高頻鏈逆 變器主電路拓撲以高頻變壓器作為電氣隔離和能量傳輸環節，以高頻功率變換替代低頻功率 變換實現小體積和高功率密度的能量轉換，由雙Boost高頻逆變前級電路(1)、高頻鏈變壓器 (2)、矩陣式三相四臂對變換器(3)以及系統輸出環節(4)組成，其中，前級是高頻變壓器前面部 分的簡稱，后級是高頻變壓器后面部分的簡稱，雙Boost高頻逆變前級電路(1)的輸出連接高 頻鏈變壓器(2)的原邊，高頻鏈變壓器(2)的副邊輸出作為矩陣式三相四臂對變換器(3)的交流輸 入。其中矩陣式單相/三相四臂對變換器由8組圖2所示的功率雙向開關組成橋式結構，每個 雙向開關采用可控功率器件IGBT兩兩反向串聯構成，即器件射極公共連接而其集電極對外 連接，8組雙向開關分屬4個臂對包括1個N臂對和3個ABC臂對一起，其中N臂對的兩 個雙向開關管的串聯節點連于三個負載的星型公共點，三個ABC臂對的兩個雙向開關的串聯 節點分別連于三相負載的另一端。當面向不平衡負載時，對高頻鏈矩陣式三相四臂對變換拓 撲采用SPWM、SVPWM控制，該拓撲可輸出具有抗平衡負載能力的低頻三相正弦波交流電。