本发明专利技术给出一种新型高效能AC-AC电力变换拓扑结构和控制方法。该发明专利技术采用两路相位互补、每路均可以双向半波调制的半导体功率开关的并联输出组成新型AC-AC直接变频电力变换拓扑结构，经电力滤波和相应特性的闭环控制算法与驱动输出稳定的直流、交流或脉冲编码功率电流或电压。直接AC-AC电力变换拓扑结构减少了串联耗能器件数量，极大的提高了电力变换的效能，降低了功耗，从而降低了对散热要求，也减小了设备的体积，尤其适用于在空间与散热条件受限的低压、大电流应用场合。AC-AC直接电力变换还提高了变压器的利用率，并大大降低对电网的干扰。本发明专利技术拓扑结构简单、可控性良好与高效能为低压大电流应用提供了有利的技术支撑。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术设计了一种新型、简单且高效的AC-AC电力变换拓扑原理结构，并给出控制方法。通过控制算法和高速逻辑驱动控制可以实现从直流到交流，以及归零或不归零的任意脉冲编码大电流输出。其高效能是该拓扑结构的主要技术特征。本专利技术主要用于低压大电流电源、可控源电磁发射机、航空电磁勘探和大功率电焊机等应用领域，尤其适合于低阻重负载的应用场合。
技术介绍
自从电力电子技术出现以来，采用各种电力变换拓扑原理结构及相应的控制算法以便获得所需优良特性的电源技术得到广泛的应用，高效能、响应速度快、安全可靠、易于控制是其主要技术特征。然而，由于传统上的电力变换拓扑结构（如图10）主要是采用了AC/DC+DC/AC的原理结构，即，首先进行交流到直流的整流变换，然后进行直流到交流的逆变换输出，需要经过两次变换来得到所需的电源特性，使得电力变换拓扑结构复杂、串联电力器件数量多，因而损耗仍然比较大。解决办法之一就是进行直接的交-交电力变换（AC-AC变换），去掉AC/DC的整流变换环节，这样其变换能耗在原理上就可以降低近一倍，本专利技术就是基于这样一种设计思想提出了一种全新的AC-AC直接电力变换拓扑原理结构，并通过试验测试证明了该项技术的正确性。该项专利技术为各种高性能大功率电源提供了核心技术支持，结合具体应用要求，并配合不同控制算法可以获得优良的技术性能。效能更高、结构更加简单、易于控制、体积减小、散热要求降低、可以输出各种电流电压波形，尤其适合于低压大电流重负载应用场合是其突出优点，该专利技术可以广泛应用于电源
技术实现思路
<br>本专利技术提供一种全新的、简单且更为高效的、特别适合于低压大电流重负载应用的大功率电力变换拓扑结构核心技术，通过各种控制算法可以实现不同的输出特性需求。其高效能也降低了对散热技术要求，减小了设备体积，为在空间与散热条件均受限的应用提供有利的技术支撑。本专利技术设计的AC-AC电力变换拓扑结构单元由双次级（n21、n22）变压器QF、正向输出电力变换调制开关（T1、D2和T3、D4）、负向输出电力变换调制开关（T2、D1和T4、D3）、正向续流开关（T5、D6）、负向续流开关（T6、D5），以及电力滤波器（L1、L2、C2）和主控制单元组成。两个次级线圈的异名端3、6分别连接T1、D1的D引脚和T3、D3的D引脚，另外两个异名端4、5分别连接T2、D2的D引脚和T4、D4的D引脚；两个正向调制开关（T1、D2和T3、D4）的输出引脚S和两个负向调制开关（T2、D1和T4、D3）的输出引脚S分别并联后作为输出连接滤波器（L1、L2、C2）的端口1和端口2，滤波器输出3端和4端连接负载RL；两个续流开关（T5、D6）和（T6、D5）的D端相接，（T5、D5）的引脚S接在滤波器输入端1，（T6、D6）的引脚S接在滤波器输入端2。驱动原理：系统输入电源可以是高频脉冲电源，也可以是工频、中频或其它频率的交流电源。调制驱动逻辑依据对输出波形极性的要求，并根据变压器次级线圈电压的极性同步的对正/负极性输出调制开关（T1、T3）或（T2、T4）进行高速PWM调制，以控制输出电流的极性。当要求正极性输出，且线圈n21正半周（3端为正）时对T1（D2直通）进行PWM调制（T2、T4和T5关断）， n22负半周（6端为正）时对T3（D4直通）进行PWM调制（T2、T4和T5关断），PWM断开时接通开关T5（D6直通）进行续流以保证输出电流的连续性，并保护器件。同样，当要求负极性输出，且线圈n21负半周（4端为正）时对T2（D1直通）进行PWM调制（T1、T3和T6关断）， n22正半周（5端为正）时对T4（D3直通）进行PWM调制（T1、T3和T6关断），PWM断开时接通开关T6（D5直通）进行续流以保证输出电流的连续性和保护器件。控制方法：根据对输出电流或电压特性的不同要求可以选择电流闭环控制算法、电压/电流双闭环控制算法，或者其它特性控制算法。该算法通过比较电流或电压的目标波形幅值与实际电流电压反馈量的偏差进行实时高速校正计算，给出PWM适时校正占空比以控制输出电流或电压大小，结合驱动原理时序逻辑产生所要求的电流与电压波形。通过控制算法和高速逻辑驱动控制可以实现从直流到交流，以及归零或不归零的脉冲编码大电流输出。优点与功效，相较于传统的大功率电力变换拓扑结构方案，本专利技术主要具有电力变换效率高、拓扑结构简单、容易控制、模块化后可以接单相或多相电源、还可以多单元并联输出更大功率等特点。初步分析结果表明，以50 重负载情况为例，其变换效率可达90%以上，而传统的逆变方案最高传输效率不超过70%。本专利技术与传统的电力变换不同点在于：1）全新的交-交直接电力变换拓扑结构设计，去掉了整流变换单元，减少了变换通路器件个数，从而大大降低了电源变换损耗，大幅度提高电力变换效率。2）逆变部分采用双次级线圈下的双极性调制开关和双路并联拓扑结构输出设计，以及电源正负半波交替调制输出和双向续流开关设计，这些是该专利技术的技术关键和主要拓扑特征，独特的拓扑结构和控制方法使其可以支持大功率直流到交流，以及各种波形的脉冲编码电源设计。3）交-交直接电力变换也使得变压器实现了电源波形全时段利用（与整流原理只在峰值区段输出功率比较），提高了变压器利用率，同时降低了对电网的波形畸变影响。4）变压器设计采用副边双线圈设计，两线圈正负半周交替对称方式工作，保证了变压器磁路始终平衡运行，而与输出波形、频率无关。供电电源可以是不同频率的正弦波，也可以是高频脉冲方波。5）该专利技术支持多模块并联接法，可以简单方便的设计出更大功率的电源。模块化并联设计的优点是并联模块数量越多，系统输出阻抗越小，整体传输效率越高。同时，模块化设计提高了系统的可裁剪性和可扩充性，可满足不同输出功率要求下高传输效率的目标。附图说明图1 AC-AC电力变换拓扑原理结构。图2 AC/AC变频a-1阶段示意图。图3 AC/AC变频a-2阶段示意图。图4 AC/AC变频b-1阶段示意图。图5 AC/AC变频b-2阶段示意图。图6 AC/AC变频c-1阶段示意图。图7 AC/AC变频c-2阶段示意图。图8 AC/AC变频d-1阶段示意图。图9 AC/AC变频d-2阶段示意图。图10传统发射机系统结构图。图11系统控制算法框图。具体实施方式如图1所示，本专利技术是一种新型的高效能AC-AC电力变换拓扑原理结构与控制方法，其拓扑结构由双次级（n21、n22）变压器QF、正向输出电力变换调制开关（T1、D2和T3、D4）、负向输出电力变换调制开关（T2、D1和T4、D3）、正向续流开关（T5、D6）、负向续流开关（T6、D5），以及电力滤波器（L1、L2、C2）和主控制单元组成。两个次级线圈的异名端分别连接T1、D1和T3、D3，另外两个异名端分别连接T2、D2和T4、D4；两个正向调制开关的输出和两个负向调制本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种新型的高效能AC‑AC电力变换拓扑原理结构与控制方法，其拓扑结构特征在于：该结构单元由双次级（n21、n22）变压器QF、正向输出电力变换调制开关（T1、D2和T3、D4）、负向输出电力变换调制开关（T2、D1和T4、D3）、正向续流开关（T5、D6）、负向续流开关（T6、D5），以及电力滤波器（L1、L2、C2）和主控制单元组成；所述两个次级线圈的异名端3、6分别连接T1、D1的D引脚和T3、D3的D引脚，另外两个异名端4、5分别连接T2、D2的D引脚和T4、D4的D引脚；两个正向调制开关（T1、D2和T3、D4）的输出引脚S和两个负向调制开关（T2、D1和T4、D3）的输出引脚S分别并联后作为输出连接滤波器（L1、L2、C2）的端口1和端口2，滤波器输出3端和4端连接负载RL；两个续流开关（T5、D6）和（T6、D5）的D端相接，（T5、D5）的引脚S接在滤波器输入端1，（T6、D6）的引脚S接在滤波器输入端2。
【技术特征摘要】
1.一种新型的高效能AC-AC电力变换拓扑原理结构与控制方法，其拓扑结构特征在于：该结构单元由双次级（n21、n22）变压器QF、正向输出电力变换调制开关（T1、D2和T3、D4）、负向输出电力变换调制开关（T2、D1和T4、D3）、正向续流开关（T5、D6）、负向续流开关（T6、D5），以及电力滤波器（L1、L2、C2）和主控制单元组成；所述两个次级线圈的异名端3、6分别连接T1、D1的D引脚和T3、D3的D引脚，另外两个异名端4、5分别连接T2、D2的D引脚和T4、D4的D引脚；两个正向调制开关（T1、D2和T3、D4）的输出引脚S和两个负向调制开关（T2、D1和T4、D3）的输出引脚S分别并联后作为输出连接滤波器（L1、L2、C2）的端口1和端口2，滤波器输出3端和4端连接负载RL；两个续流开关（T5、D6）和（T6、D5）的D端相接，（T5、D5）的引脚S接在滤波器输入端1，（T6、D6）的引脚S接在滤波器输入端2。
2.根据权利要求1所述的一种新型的高效能AC-AC电力变换拓扑原理结构与控制方法，其驱动逻辑原理特征在于：系统输入电源可以是高频脉冲电源，也可以是工频、中频或其它频率的交流电源；调制驱动逻辑依据对输出波形极性的要求，并根据变压器次级线圈电压的极性同步的对正/负极性输出调制开关（T1、...
【专利技术属性】
技术研发人员：王建国，
申请(专利权)人：青岛晶锐测控科技有限公司，
类型：发明
国别省市：山东;37
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