一种单相电流型AC/DC/AC变换器及其调制方法技术

本发明专利技术提供的单相电流型AC/DC/AC变换器及其调制方法，通过控制三个电流型开关桥臂中IGBT功率器件的通/断，实现整流和逆变的功能；通过控制非对称H桥中IGBT功率器件的通/断实现功率解耦的功能；同时，采用矢量合成得到参考电流矢量，实现对系统期望输入、输出电流控制信号的调制。本发明专利技术的变换器结构简单，控制简便，调制方法简单，能够有效的降低成本、提高运行效率，扩宽输出电压范围。

【技术实现步骤摘要】
一种单相电流型AC/DC/AC变换器及其调制方法
本专利技术涉及电路拓扑及其调制技术，更具体地，涉及一种单相电流型AC/DC/AC变换器及其调制方法。
技术介绍
单相AC/DC/AC变换器可以提供幅值和频率可变的输出电压，目前已广泛的应用于线路电压调整器、有源滤波器、不间断电源、有功功率补偿器等场合中。然而，单相电压型/电流型变换器中存在的二次脉动功率，会对其直流母线电压/电流造成显著的低频波动，特别是在电源和负载的瞬时功率极度不同步时，低频波动更加严重。这会造成系统输入、输出性能下降以及元器件寿命缩短。因此，处理好输入输出端瞬时功率的不平衡，消除二次脉动功率对系统的影响至关重要。采用大幅度增加无源器件的容量来缓和系统中的二次脉动功率的无源解耦技术虽然简单，但是却增加了系统的成本、降低了系统的功率密度，并且，不利于装置的模块化设计。另一方面，大容量的电解电容的使用还会限制系统的寿命，降低系统的可靠性。从控制技术的角度出发，尽量实现电源功率和负载功率之间的同步，是减小直流滤波器件体积的一种可行方法。目前，该方法已经在多种电路拓扑中实现，例如：二级管整流型单相交流电源、单相到单相半桥变换器、单相到单相全桥变换器、六开关AC/DC/AC电压源变换器、六开关AC/AC电流源变换器、单相多级固态变压器系统等。虽然功率同步控制能够减小直流滤波电容的体积，但它要求电源与负载的频率和相位必须严格一致，这会限制变换器的应用范围。因为很多情况中，如风扇的速度控制、感应电动机驱动、感应加热等，输出电压的频率和相位由负载决定。另外一种解决方案是被广泛运用在单相整流器或逆变器中的有源解耦技术。它的基本思路是通过开关装置将二次脉动功率转移到额外的小电容来避免二次脉动功率的不利影响，不存在无源解耦技术功率密度低、寿命受限等缺点，因而得到广泛的关注和研究。针对电流型AC/DC/AC变换器，目前的有源解耦方法的思路是在电源端和负载端同时增加一组桥臂和一个解耦电容来分别缓冲二次脉动功率。这类解耦方法需要额外增加三分之一的半导体装置，增加了系统的成本，控制和调制也变得更加复杂，且不可避免的降低了系统的效率。
技术实现思路
本专利技术提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的能够有效降低成本、提高系统的运行效率和功率密度、扩宽输出电压范围的单相电流型AC/DC/AC变换器及其调制方法。根据本专利技术的一个方面，提供一种单相电流型AC/DC/AC变换器，包括输入电源部分，以及与通过控制IGBT功率器件通/断而实现整流和逆变功能的开关桥臂并联到所述输入电源部分中的缓冲滤波电路，所述开关桥臂中连接有输出和负载电路。根据本专利技术的另一个方面，提供一种用于调制单相电流型AC/DC/AC变换器的方法，包括以下步骤：ST1、通过控制变换器的开关桥臂的IGBT功率器件的通/断状态，得到变换器不同的运行状态及与运行状态一一对应的电流矢量；ST2、根据所需要合成的输入、输出参考电流将笛卡尔空间划分成不同的矢量扇区；ST3、根据所述参考电流得到笛卡尔空间坐标系下的参考电流矢量ST4、根据所述参考电流矢量Iref所在的矢量扇区，计算所对应的电流矢量的占空比，以控制对应的运行状态的导通时间。本申请的有益效果主要如下：(1)通过开关桥臂的复用实现变换器整流和逆变的功能，减少了器件的使用，能够有效降低成本；(2)非对称H桥电路能够有效的缓冲输入与输出功率之间的差额功率，使母线电流始终保持恒定；(3)在缓冲滤波电路中，非对称H桥电路串联有直流滤波电感，能够有效滤除直流母线上由于高频开关产生的纹波电流，保证母线电流的稳定和平滑。同时，非对称H桥电路能够有效的减小直流滤波电感的体积，提高系统的功率密度；(4)所需要合成的输入、输出参考电流对应的参考电流矢量，通过相关的不同运行状态对应的电流矢量与一个零矢量合成，即可实现对系统期望输入、输出电流控制信号的调制，通过合理选择零矢量，减少了开关桥臂中IGBT功率器件的通/断次数，提高了系统效率。附图说明图1为根据本专利技术实施例的一种单相电流型AC/DC/AC变换器的结构示意图；图2a为根据本专利技术实施例的一种单相电流型AC/DC/AC变换器的不同运行状态示意图；图2b为根据本专利技术实施例的一种单相电流型AC/DC/AC变换器的不同运行状态示意图；图3为根据本专利技术实施例的一种单相电流型AC/DC/AC变换器的系统控制框图；图4为根据本专利技术实施例的一种用于调制单相电流型AC/DC/AC变换器的方法的矢量扇区划分示意图；图5为根据本专利技术实施例的单相输入电源和负载同频(50Hz)同相时，变换器的实验波形图。图6为根据本专利技术实施例的在单相输入电源和负载频率相同(50Hz)相位相差90度时，变换器的实验波形图。图7为根据本专利技术实施例的在单相输入电源频率为50Hz而负载频率为40Hz时，变换器的实验波形图。图8为根据本专利技术实施例的在单相输入电源频率为50Hz而负载频率为60Hz时，变换器的实验波形图。具体实施方式下面结合附图和实施例，对本专利技术的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本专利技术，但不用来限制本专利技术的范围。参见图1所示，一种单相电流型AC/DC/AC变换器，其包括输入电源部分1，以及并联在输入电源部分1上的开关桥臂2和缓冲滤波电路3。开关桥臂2通过控制IGBT功率器件的通/断以实现整流和逆变功能，缓冲滤波电路3能够有效的缓冲输入与输出功率之间的差额功率。具体的，IGBT功率器件为绝缘栅双极型晶体管功率器件。开关桥臂2能够同时实现整流和逆变功能，能够有效的减少开关器件的使用数量，节约成本。同时，采用开关桥臂2集中控制的形式，不仅简化了电路，也能够简化控制方式。缓冲滤波电路3能够缓冲输入与输出功率之间的差额功率，有效的提高了系统的功率密度。在开关桥臂2上连接有输出和负载电路4。输出和负载电路4直接与开关桥臂2相连，便于开关桥臂2对负载的直接有效控制。开关桥臂2包括依次并联的子开关桥臂A、子开关桥臂B和子开关桥臂C。开关桥臂2由三个子开关桥臂依次并联组成，各子开关桥臂间能够分别控制，以组成不同的电路，实现不同的运行状态。同时，由三个子开关桥臂依次并联，能够实现多种不同的电路及运行状态，使变换器只通过开关桥臂2的控制调整，便能够实现整流和逆变的功能。子开关桥臂A、子开关桥臂B和子开关桥臂C具有相同结构。每一个子开关桥臂包括依次串联的两个开关单元，每一个开关单元包括依次串联的IGBT功率器件和二极管。子开关桥臂A包括依次串联的第一开关单元和第二开关单元。第一开关单元包括串联的第一IGBT功率器件S1和第一二极管D1。第一二极管D1的负极与子开关桥臂B和子开关桥臂C的一端相连，第一二极管D1的正极与第一IGBT功率器件S1的发射极相连，第一IGBT功率器件S1的集电极与第二开关单元相连。第二开关单元包括串联的第二IGBT功率器件S2和第二二极管D2。第二二极管D2的负极与第一开关单元中第一IGBT功率器件S1的集电极相连，第二二极管D2的正极与第二IGBT功率器件S2的发射极相连，第二IGBT功率器件S2的集电极与子开关桥臂B和子开关桥臂C的另一端相连。子开关桥臂B包括依次串联的第三开关单元和第四开关单元。第三开关单元包括串联的第三IGBT功率本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种单相电流型AC/DC/AC变换器，其特征在于：包括输入电源部分(1)，以及与通过控制IGBT功率器件通/断而实现整流和逆变功能的开关桥臂(2)并联到所述输入电源部分(1)中的缓冲滤波电路(3)，所述开关桥臂(2)中连接有输出和负载电路(4)。

【技术特征摘要】
1.一种单相电流型AC/DC/AC变换器，其特征在于：包括输入电源部分(1)，以及与通过控制IGBT功率器件通/断而实现整流和逆变功能的开关桥臂(2)并联到所述输入电源部分(1)中的缓冲滤波电路(3)，所述开关桥臂(2)中连接有输出和负载电路(4)。2.如权利要求1的一种单相电流型AC/DC/AC变换器，其特征在于：所述开关桥臂(2)包括依次并联接入到所述输入电源部分(1)的子开关桥臂A、子开关桥臂B和子开关桥臂C。3.如权利要求2的一种单相电流型AC/DC/AC变换器，其特征在于：所述子开关桥臂A包括依次串联的两个开关单元，所述开关单元包括依次串联的IGBT功率器件和二极管，且所述子开关桥臂A、子开关桥臂B和子开关桥臂C具有相同的结构。4.如权利要求3的一种单相电流型AC/DC/AC变换器，其特征在于：所述输入电源部分(1)包括单相输入电源(11)和输入滤波器(12)，所述输入滤波器(12)为二阶LC低通滤波器，所述输入滤波器(12)包括滤波电感和滤波电容；所述滤波电感与所述单相输入电源(11)串联后与所述滤波电容并联，所述滤波电容的一端与所述开关桥臂A两个开关单元之间的节点相连，其另一端与所述开关桥臂B两个开关单元之间的节点相连。5.如权利要求1的一种单相电流型AC/DC/AC变换器，其特征在于：所述缓冲滤波电路(3)包括串联的非对称H桥电路(31)和直流滤波电感(32)。6.如权利要求5的一种单相电流型AC/DC/AC变换器，其特征在于：所述非对称H桥电路(31)包括第七IGBT功率器件和第八IGBT功率器件、第七二极管和第八二极管，以及一个解耦电容；解耦电容的一端与第八IGBT功率器件的集电极和第七二极管的负极相连，另一端与第七IGBT功率器件的发射极以及第八二极管的正极相连；第七二极管的正极和第七IGBT功率器件的集电极均与所述开关桥臂(2)的一端相连；第八二极管的负极和第八IGBT功率器件的发射极均与所述直流滤波电感(32)的一端相连，所述直流滤波电感(32)与所述开关桥臂(2)的另一端相连。7.如权利要求3的一种单相电流型AC/DC/AC变换器，其特征在于：所述输出和负载电路(4)包括并联接入电路的负载(41)和输出滤波器(42)，所示输出和负载电路(4)的一端与所述开关桥臂B两个开关单元之间的节点相连，另一端与所述开关桥臂C两个开关单元之间的节点相连。8.一种调制如权利要求1所述的单相电流型AC/DC/AC变换器的方法，其特征在于，包括以下步骤：ST1、通过控制变换器的开关桥臂(2)的IGBT功率器件的通/断状态，得到变换器不同的运行状态及与运行状态一一对应的电流矢量；ST2、根据所需要合成的输入、输出参考电流将笛卡尔空间划分成不同的矢量扇区；ST3、根据所述参考电流得到笛卡尔空间坐标系下的参考电流矢量ST4、根据所述参考电流矢量Iref所在的矢量扇区，计算所对应的电流矢量的占空比，以控制对应的运行状态的导通时间。9.如权利要求8的一种单相电流型AC/DC/AC变换器调制方法，其特征在于，所述开关桥臂(2)包括第一IGBT功率器件、第二IGBT功率器件、第三IGBT功率器件、第四IGBT功率器件、第五IGBT功率器件和第六IGBT功率器件，步骤ST1中所述运行状态与该运行状态的电流矢量一一对应，具体内容如下：电流矢量1对应运行状态1，运行状态1对应第一IGBT功率器件和第四IGBT功率器件导...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙尧，周敏，粟梅，韩华，刘永露，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43