一种基于有源箝位磁复位的双向AC‑DC变换器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于有源箝位磁复位的双向AC‑DC变换器，属于功率变换技术领域。该变换器由交流侧滤波单元、三相整流/逆变桥臂、交流侧开关电路、高频隔离变压器、有源箝位磁复位电路、直流侧开关电路和直流侧滤波单元组成。该变换器的优点是：直流侧开关管的电压应力低；交流侧开关管低频工作，开关损耗小；能量可以双向流动；实现高频电气隔离，适用于作为电网和蓄电池之间的接口变换器。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种基于有源箝位磁复位的双向AC-DC变换器，属于功率变换

技术介绍
在交流微网系统中，光伏、风电等新能源发电受自然条件的影响呈现出较大的波动性，而电网本身并不具备存储能量的功能，因此需要储能装置来维持系统的功率平衡及稳定，蓄电池由于其存储能量大，安装方便以及成本优势在微网系统中得到了广泛的应用。蓄电池通过一个接口变换器直接与微网相连，在用电峰期，蓄电池放电，为负载提供能量；在用电谷期，蓄电池充电，存储富余的能量，因此连接蓄电池与电网的接口变换器必须能够实现能量的双向流动。近年来，随着微网及电动汽车技术的发展，双向AC-DC变换器得到了广泛的关注。目前比较流行的双向AC-DC变换器为PWM整流器，分为电压型PWM(脉冲宽度调制)整流器和电流型PWM整流器两种,其中后者实现能量双向流动的一个重要条件是其直流侧电压可以反向。电压型PWM整流器的优势是网侧输入功率因数高，应用成熟，劣势是输出电压高，电压调节范围小；电流型PWM整流器优势是输出电压可降压，电压调节范围大，劣势是存在LC震荡问题，网侧功率因素相对较低。考虑到直流侧和交流侧的电压匹配和安全隔离，加入隔离变压器是十分必要的。传统的方式是在交流侧加入工频变压器，然而工频变压器体积、重量、噪声和损耗都较大，不利于提高效率和功率密度。另一种方式是采用两级式结构，即前级的PWM整流器加上后级的隔离型双向DC/DC变换器。但是两级式结构对能量进行了两次变换，导致效率下降，且较大的耦合电容降低了功率密度和寿命。此外还有一种方式是采用无需直流母线的单级式结构，如矩阵变换器，具有无需耦合电容，控制灵活，可以升降压的优点，但是其双向开关管数量多，控制复杂。
技术实现思路
本专利技术提出了一种基于有源箝位磁复位的双向AC-DC变换器，使得交流侧三相整流/逆变桥和双向开关电路的开关管工作于低频模式，降低了交流侧开关管的开关损耗，变压器的磁复位方式为有源箝位磁复位以降低直流侧开关管的电压应力，解决了的两级式变换器两次能量变换以及传统空间矢量控制交流侧开关管高频工作不利于效率提升的技术问题。本专利技术为解决其技术问题采用如下技术方案：一种基于有源箝位磁复位的双向AC-DC变换器，包括交流侧滤波单元、三相整流/逆变桥臂、交流侧开关电路、高频变压器、有源箝位磁复位电路、直流侧开关电路和直流侧滤波单元；其中，所述交流侧滤波器单元输入端接三相交流电，交流侧滤波器单元输出端与三相整流/逆变桥的桥臂中点连接，交流侧开关电路接在三相整流/逆变桥桥臂中点和高频变压器原边绕组两端，有源箝位磁复位电路并联在高频变压器单元副边绕组两端，直流侧开关电路接在有源箝位磁复位电路和直流侧滤波单元输入端之间；所述交流侧滤波单元包括：交流侧滤波电感La、Lb、Lc以及交流侧滤波电容Ca、Cb、Cc，交流侧滤波电感La、Lb、Lc的一端接三相交流进线，交流侧滤波电感La、Lb、Lc的另一端与交流侧滤波电容Ca、Cb、Cc的一极、三相整流/逆变桥的桥臂中点连接，交流侧滤波电容Ca、Cb、Cc的另一极相互并联；所述三相整流/逆变桥臂包括：交流侧开关管Qa1、Qa4、Qb1、Qb4、Qc1和Qc4，交流侧开关管Qa1、Qb1、Qc1的源极分别连接交流侧开关管Qa4、Qb4、Qc4的漏极，交流侧开关管Qa1、Qb1、Qc1的漏极共同连接到交流侧开关管Qp1的漏极，交流侧开关管Qa4、Qb4、Qc4的源极共同连接到交流侧开关管Qp2的源极；所示交流侧开关电路包括:交流侧开关管Qa2、Qa3、Qb2、Qb3、Qc2、Qc3、Qp1和Qp2；交流侧开关管Qa2的源极和交流侧开关管Qa3的源极连接，交流侧开关管Qb2的源极和交流侧开关管Qb3的源极连接，交流侧开关管Qc2的源极和交流侧开关管Qc3的源极连接；交流侧开关管Qa2的漏极连接交流侧开关管Qa1的源极，交流侧开关管Qb2的漏极连接交流侧开关管Qb1的源极，交流侧开关管Qc2的漏极连接交流侧开关管Qc1的源极，交流侧开关管Qa3、Qb3、Qc3的漏极共同连接到第一高频变压器Tr1原边绕组的一端；交流侧开关管Qp1的漏极与交流侧开关管Qa1的漏极相连；交流侧开关管Qp2的源极与交流侧开关管Qc4的源极相连；所述高频变压器包括:第一高频变压器Tr1、第二高频变压器Tr2；第一高频变压器Tr1原边绕组一端与交流侧开关管Qp1的源极连接，第一高频变压器Tr1原边绕组另一端连接第二高频变压器Tr2原边绕组的一端，第二高频变压器Tr2原边绕组的另一端连接交流侧开关管Qp2的漏极；第一高频变压器Tr1副边绕组一端与第二高频变压器Tr2副边绕组的一端连接；所述有源箝位磁复位电路包括：开关管Qsc1、开关管Qsc2、第一复位电容Cc1、第二复位电容Cc2，其中：第一复位电容Cc1的一端与第一高频变压器Tr1副边绕组一端连接，第一复位电容Cc1的另一端与开关管Qsc1的漏极连接，开关管Qsc1的源极与第一高频变压器副边绕组的另一端、以及第二复位电容Cc2的一极相连接，第二复位电容Cc2另一极接开关管Qsc2的漏极；开关管Qsc2的源极接第二高频变压器副边绕组的另一端；其中第一高频变压器原边绕组中连接交流侧开关管Qp1源极的一端与第一高频变压器副边绕组中连接第一复位电容Cc1的一端为同名端，第二高频变压器原边绕组中连接第一高频变压器原边绕组的一端与第二高频变压器副边绕组中连接第一高频变压器副边绕组的一端为同名端；所述直流侧开关电路包括：直流侧开关管Qs1、Qs2、Qs3和Qs4，直流侧开关管Qs2的源极与第一复位电容Cc1的一端连接，直流侧开关管Qs2的漏极接直流侧开关管Qs1的漏极，直流侧开关管Qs1的源极、直流侧开关管Qs3的漏极与直流侧开关管Qsc1的源极连接在一起，直流侧开关管Qs3的源极接直流侧开关管Qs4的源极，直流侧开关管Qs4的漏极接直流侧开关管Qsc2的源极；所述直流侧滤波单元包括：直流侧滤波电感Lf1、直流侧滤波电感Lf2、直流侧滤波电容Cf，直流侧滤波电感Lf1的一端接直流侧开关管Qs1的漏极，直流侧滤波电感Lf1的另一端接直流侧滤波电容的正极，直流侧滤波电感Lf2的一端接直流侧滤波电容的负极，直流侧滤波电感Lf2的另一端直流侧接开关管Qs3的源极。一种基于有源箝位磁复位的双向AC-DC变换器的控制方法，包括如下步骤：向变换器中各开关施以驱动信号，其中，直流侧开关管Qs1与直流侧开关管Qs2互补导通且不同时关断，直流侧开关管Qs3与直流侧开关管Qs4互补导通且不同时关断；记录开关模态包含三相/整流逆变桥各开关、三路双向开关；将不同开关模态构成的基本非零电流矢量所围成的6扇区划分为12扇区；选择离期望电流空间矢量所在扇区最近的两个非零矢量以及零矢量作为合成矢量，在合成矢量对应的开关模态中，选择三相整流/逆变桥中各开关以及三路双向开关的开关通断状态相同的开关模态。本专利技术具有以下有益效果：(1)本专利技术涉及的变换器中，高频变压器的工作状态与正激类似采用有源磁复位，变压器工作于第一、三象限，利用率较高，且可以减小直流侧开关管的电压应力。(2)本专利技术涉及的变换器为Buck型结构，具有输出电压范围宽，无需直流母线即可实现电气隔离的特点，适用本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于有源箝位磁复位的双向AC‑DC变换器，其特征在于包括交流侧滤波单元、三相整流/逆变桥臂、交流侧开关电路、高频变压器、有源箝位磁复位电路、直流侧开关电路和直流侧滤波单元；其中，所述交流侧滤波器单元输入端接三相交流电，交流侧滤波器单元输出端与三相整流/逆变桥的桥臂中点连接，交流侧开关电路接在三相整流/逆变桥桥臂中点和高频变压器原边绕组两端，有源箝位磁复位电路并联在高频变压器单元副边绕组两端，直流侧开关电路接在有源箝位磁复位电路和直流侧滤波单元输入端之间；所述交流侧滤波单元包括：交流侧滤波电感La、Lb、Lc以及交流侧滤波电容Ca、Cb、Cc，交流侧滤波电感La、Lb、Lc的一端接三相交流进线，交流侧滤波电感La、Lb、Lc的另一端与交流侧滤波电容Ca、Cb、Cc的一极、三相整流/逆变桥的桥臂中点连接，交流侧滤波电容Ca、Cb、Cc的另一极相互并联；所述三相整流/逆变桥臂包括：交流侧开关管Qa1、Qa4、Qb1、Qb4、Qc1和Qc4，交流侧开关管Qa1、Qb1、Qc1的源极分别连接交流侧开关管Qa4、Qb4、Qc4的漏极，交流侧开关管Qa1、Qb1、Qc1的漏极共同连接到交流侧开关管Qp1的漏极，交流侧开关管Qa4、Qb4、Qc4的源极共同连接到交流侧开关管Qp2的源极；所示交流侧开关电路包括:交流侧开关管Qa2、Qa3、Qb2、Qb3、Qc2、Qc3、Qp1和Qp2；交流侧开关管Qa2的源极和交流侧开关管Qa3的源极连接，交流侧开关管Qb2的源极和交流侧开关管Qb3的源极连接，交流侧开关管Qc2的源极和交流侧开关管Qc3的源极连接；交流侧开关管Qa2的漏极连接交流侧开关管Qa1的源极，交流侧开关管Qb2的漏极连接交流侧开关管Qb1的源极，交流侧开关管Qc2的漏极连接交流侧开关管Qc1的源极，交流侧开关管Qa3、Qb3、Qc3的漏极共同连接到第一高频变压器Tr1原边绕组的一端；交流侧开关管Qp1的漏极与交流侧开关管Qa1的漏极相连；交流侧开关管Qp2的源极与交流侧开关管Qc4的源极相连；所述高频变压器包括:第一高频变压器Tr1、第二高频变压器Tr2；第一高频变压器Tr1原边绕组一端与交流侧开关管Qp1的源极连接，第一高频变压器Tr1原边绕组另一端连接第二高频变压器Tr2原边绕组的一端，第二高频变压器Tr2原边绕组的另一端连接交流侧开关管Qp2的漏极；第一高频变压器Tr1副边绕组一端与第二高频变压器Tr2副边绕组的一端连接；所述有源箝位磁复位电路包括：开关管Qsc1、开关管Qsc2、第一复位电容Cc1、第二复位电容Cc2，其中：第一复位电容Cc1的一端与第一高频变压器Tr1副边绕组一端连接，第一复位电容Cc1的另一端与开关管Qsc1的漏极连接，开关管Qsc1的源极与第一高频变压器副边绕组的另一端、以及第二复位电容Cc2的一极相连接，第二复位电容Cc2另一极接开关管Qsc2的漏极；开关管Qsc2的源极接第二高频变压器副边绕组的另一端；其中第一高频变压器原边绕组中连接交流侧开关管Qp1源极的一端与第一高频变压器副边绕组中连接第一复位电容Cc1的一端为同名端，第二高频变压器原边绕组中连接第一高频变压器原边绕组的一端与第二高频变压器副边绕组中连接第一高频变压器副边绕组的一端为同名端；所述直流侧开关电路包括：直流侧开关管Qs1、Qs2、Qs3和Qs4，直流侧开关管Qs2的源极与第一复位电容Cc1的一端连接，直流侧开关管Qs2的漏极接直流侧开关管Qs1的漏极，直流侧开关管Qs1的源极、直流侧开关管Qs3的漏极与直流侧开关管Qsc1的源极连接在一起，直流侧开关管Qs3的源极接直流侧开关管Qs4的源极，直流侧开关管Qs4的漏极接直流侧开关管Qsc2的源极；所述直流侧滤波单元包括：直流侧滤波电感Lf1、直流侧滤波电感Lf2、直流侧滤波电容Cf，直流侧滤波电感Lf1的一端接直流侧开关管Qs1的漏极，直流侧滤波电感Lf1的另一端接直流侧滤波电容的正极，直流侧滤波电感Lf2的一端接直流侧滤波电容的负极，直流侧滤波电感Lf2的另一端直流侧接开关管Qs3的源极。...

【技术特征摘要】
1.一种基于有源箝位磁复位的双向AC-DC变换器，其特征在于包括交流侧滤波单元、三相整流/逆变桥臂、交流侧开关电路、高频变压器、有源箝位磁复位电路、直流侧开关电路和直流侧滤波单元；其中，所述交流侧滤波器单元输入端接三相交流电，交流侧滤波器单元输出端与三相整流/逆变桥的桥臂中点连接，交流侧开关电路接在三相整流/逆变桥桥臂中点和高频变压器原边绕组两端，有源箝位磁复位电路并联在高频变压器单元副边绕组两端，直流侧开关电路接在有源箝位磁复位电路和直流侧滤波单元输入端之间；所述交流侧滤波单元包括：交流侧滤波电感La、Lb、Lc以及交流侧滤波电容Ca、Cb、Cc，交流侧滤波电感La、Lb、Lc的一端接三相交流进线，交流侧滤波电感La、Lb、Lc的另一端与交流侧滤波电容Ca、Cb、Cc的一极、三相整流/逆变桥的桥臂中点连接，交流侧滤波电容Ca、Cb、Cc的另一极相互并联；所述三相整流/逆变桥臂包括：交流侧开关管Qa1、Qa4、Qb1、Qb4、Qc1和Qc4，交流侧开关管Qa1、Qb1、Qc1的源极分别连接交流侧开关管Qa4、Qb4、Qc4的漏极，交流侧开关管Qa1、Qb1、Qc1的漏极共同连接到交流侧开关管Qp1的漏极，交流侧开关管Qa4、Qb4、Qc4的源极共同连接到交流侧开关管Qp2的源极；所示交流侧开关电路包括:交流侧开关管Qa2、Qa3、Qb2、Qb3、Qc2、Qc3、Qp1和Qp2；交流侧开关管Qa2的源极和交流侧开关管Qa3的源极连接，交流侧开关管Qb2的源极和交流侧开关管Qb3的源极连接，交流侧开关管Qc2的源极和交流侧开关管Qc3的源极连接；交流侧开关管Qa2的漏极连接交流侧开关管Qa1的源极，交流侧开关管Qb2的漏极连接交流侧开关管Qb1的源极，交流侧开关管Qc2的漏极连接交流侧开关管Qc1的源极，交流侧开关管Qa3、Qb3、Qc3的漏极共同连接到第一高频变压器Tr1原边绕组的一端；交流侧开关管Qp1的漏极与交流侧开关管Qa1的漏极相连；交流侧开关管Qp2的源极与交流侧开关管Qc4的源极相连；所述高频变压器包括:第一高频变压器Tr1、第二高频变压器Tr2；第一高频变压器Tr1原边绕组一端与交流侧开关管Qp1的源极连接，第一高频变压器Tr1原边绕组另一端连接第二高频变压器Tr2原边绕组的一端，第二高频变压器Tr2原边绕组的另一端连接交流侧开关...

【专利技术属性】
技术研发人员：金科，王正朔，顾玲，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32