[發明專利]一種級聯型單相交流轉直流隔離變換器

有效

• 申請號: 201911097265.7
• 申請日: 2019-11-11
• 公開（公告）號: CN110798074B
• 公開（公告）日: 2021-06-18
• 發明（設計）人: 韓俊飛;楊寶峰;王宇強;鐘鳴;俞超宇
• 申請（專利權）人: 內蒙古電力（集團）有限責任公司內蒙古電力科學研究院分公司
• 主分類號: H02M3/335
• 分類號: H02M3/335;H02M7/219
• 代理公司: 北京久維律師事務所 11582
• 代理人: 邢江峰

本發明公開一種級聯型單相交流轉直流隔離變換器。級聯型單相交流轉直流隔離變換器由多個交流轉直流隔離變換器模塊輸入側串聯、輸出側并聯組成。模塊的輸入側全橋結構為單級式AC/DC變換提供基礎。輸入側、輸出側全橋的調制策略與合理的控制方法實現直流穩定輸出和功率因數調節功能。這種變換器及控制方法克服兩級式交直流變換器第一級直流端輸出電容較大的不足，減小設備體積和重量。

技術領域

本發明涉及電力技術領域，具體是一種級聯型單相交流轉直流隔離變換器。

背景技術

用于火車、地鐵、車輛等領域的牽引變換器，需要具有將中壓交流變換為低壓直流的功能。常規牽引變換器設備采用低頻變壓器實現。低頻變壓器體型巨大、重量沉。當具有低頻變壓器的變換器設備具有高電流密度時，低頻變壓器效率將降低。為了克服這個問題，研究采用高頻環節的交流-直流變換器成為一個趨勢，并致力于減小這些變換器的重量和體積。

現有的應用于中壓電網的具有高頻環節的交流-直流變換器采用AC/DC/DC兩級式變換。但第一級交直變換環節的直流輸出端一個大容量電容提供電壓支撐，占用體積較大。研究無大容量直流電容的變換器有利于降低體積、減小重量、節省成本。

發明內容

本發明的目的在于提供一種級聯型單相交流轉直流隔離變換器，以解決上述背景技術中提出的問題。

為實現上述目的，本發明提供如下技術方案：

一種級聯型單相交流轉直流隔離變換器，包括多個交流-直流隔離變換器模塊，多個交流-直流隔離變換器模塊級聯起來，并與輸入電感串聯，交流-直流隔離變換器模塊包括用于濾除由開關管動作引起的高頻電壓分量的輸入電容、輸入側全橋電路、串聯諧振電路和輸出側全橋電路，輸入電容并連接在輸入側全橋電路的兩個輸入端之間，輸入側全橋電路和串聯諧振電路串聯連接，串聯諧振電路的輸出端連接輸出側全橋電路，串聯諧振電路具有兩個同參數的諧振電容和一個高頻變壓器，兩個諧振電容分別和高頻變壓器的初級繞組、次級繞組的漏感形成串聯諧振，輸出側全橋電路由四個開關管構成，其中每個雙向開關由兩個開關管共發射極串聯組成。

作為本發明的進一步方案：每個交流-直流隔離變換器模塊的輸入側全橋單個雙向開關管控制方式是，一個開關管導通，另一個開關管進行PWM調制，四個雙向開關管以開關頻率按方波調制方式導通，由此將交流電網電壓轉換為高頻電壓，輸入側全橋交流端口處形成占空比為50％的高頻方波電壓，一個開關周期內，該高頻方波電壓幅值與當前時刻輸入交流電壓的幅值相同，從開關頻率維度分析，一個開關周期內的高頻方波電壓可以分解出基波分量，從輸入交流電壓頻率維度觀察，每個交流-直流隔離變換器模塊輸入側全橋交流端口處的高頻方波電壓包絡線為正弦形狀，且該包絡線正弦形狀與該模塊輸入交流電壓相同。

作為本發明的進一步方案：每個交流-直流隔離變換器模塊的串聯諧振電路包含兩個諧振電容和一個高頻變壓器，高頻變壓器實現電壓等級變換和電氣隔離的功能，高頻變壓器的初級和次級繞組均包含漏感，兩個漏感分別與兩個諧振電容形成串聯諧振，當開關管開關頻率與諧振頻率相同時，電路處于諧振狀態，使電路具有零電壓開關、控制簡單等特性，此外，諧振電容具有隔直作用，防止變壓器偏磁。

作為本發明的進一步方案：每個交流-直流隔離變換器模塊的輸出側全橋采用移相控制方式，各開關的驅動信號均由載波與占空比調制波比較形成，開關管以開關頻率工作，載波頻率是開關頻率的兩倍，同一橋臂的上下兩個開關管開關信號互補，超前橋臂與滯后橋臂之間存在一個移相比例，使輸出側全橋得交流端口處形成具有一定占空比的雙極性高頻電壓，該占空比按輸入交流電壓的二倍頻率進行周期性變化，雙極性高頻電壓在每一個開關周期內具有相同的幅值，該幅值等于輸出電壓幅值，從開關頻率維度分析，一個開關周期內的雙極性高頻電壓可以分解出基波分量，該基波分量相位與輸入側全橋的高頻方波電壓基波分量相位相同，從輸入交流電壓頻率維度觀察，輸出側全橋的高頻電壓基波分量幅值形成的包絡線呈現正弦波形狀，電路通過調節每一個開關周期內輸出側全橋雙極性高頻電壓的占空比，改變輸出側全橋高頻電壓基波幅值，從而改變輸出直流電壓的幅值及輸入側功率因數。