一种双极性AC-AC变换器拓扑结构制造技术

本实用新型专利技术公开的一种双极性AC‑AC变换器拓扑结构，包括单相系统交流电源、dual‑buck功率变换单元、LC低通滤波单元及信号控制单元。其中功率变换单元包括正极性桥臂和负极性桥臂，正极性桥臂的输出端A和负极性桥臂的输出端B连接LC低通滤波器，LC低通滤波器的输出端接入负载。本实用新型专利技术的变换器能够更好的输出与输入电压同相位或反相位的电压，并且在输出与输入电压同相位还是反相位电压时都工作在相同的buck/boost工作模式下，使变换器无需采用大容值的电容就能维持输出侧电流的连续。

【技术实现步骤摘要】
一种双极性AC-AC变换器拓扑结构
本技术属于工频交流调压
，具体涉及一种双极性dual-buck型直接式AC-AC变换器拓扑结构。
技术介绍
电压作为电能质量的核心指标之一，其稳定无论是对电力系统的安全稳定运行，还是对用户侧用电设备的正常运行，都起着至关重要的作用。随着以分布式光伏、风电等为代表的可再生能源并网容量的不断增大，改变了原有电网的潮流流动，可能会出现潮流的反向流动，引起电网过电压问题；此外，负荷的不断增大又容易引起低电压的问题。随着技术的不断发展，以高精密制造业、医疗行业等为代表的敏感负荷对电压稳定性又提出了更高的要求，过电压或低电压对这类负荷都会产生巨大的影响，造成重大的经济损失或人员伤害。同时，电压的波动也会影响到电网的安全运行和消纳可再生能源的能力。为解决因电压波动带来的一系列问题，提出一种能够同时解决过电压和低电压问题的双极性dual-buck型直接AC-AC变换器拓扑结构与调制方法。现阶段对于交流电压补偿而言，均通过以下几种途径实现：(1)利用工频变压器增加分接头开关，以此得到成比例的交流电压，但此种方法所得到的交流电压为阶跃电压，做不到柔性调压，而且分接头的动态响应速度慢不能适应电压的快速变化；(2)通过AC-DC-AC的电力电子开关装置得到交流电压，此种方法获得电压速度快且能进行连续调节，相比于第一种方法已有很大改善。但是由于设备存在直流环节，一方面导致设备的体积增加，直流环节大电容的维护也负担也较重；另一方面由于功率进行了两级变换，导致整个设备的变换效率低；(3)通过直接AC-AC结构的电力变换器得到交流电压，这种结构控制简单、响应快、变换效率高，可实现连续、柔性的电压调节。传统的AC-AC交流变换器存在换流过程繁琐、开关管在死区时间时的换流问题及重叠时间的直通问题等，可能会造成开关管乃至整个装置的损坏。针对该问题，普遍采用的两种方案，一是采用有损耗的RC(Resistor-Capacitor)缓冲电路，二是采用特殊的软换流策略。前者会使得变换器的变换效率降低，后者在输入电压存在畸变，尤其是过零点时，并不能保证变化器安全换流。此外，目前的变换器大部分都仅仅能实现电压的单极性输出，因此只能解决低电压或者过电压问题，而不能同时解决这两种问题，限制了变换器的应用。为实现变换器双极性电压的输出，国内外专家和学者提出了一些可行方案。例如，有国内学者提出在工频变压器的一次侧增加双向晶闸管来改变输出电压的极性，但这种方案增大了开关损耗，同时输出电压极性反转动态响应速度慢；韩国学者提出的采用开关管单元结构来解决变换器的换流问题，同时能够输出双极性电压，但是输入输出端不共地，且结构采用了较多的无源元件，不利于大功率场合的应用；此外，又有学者提出了采用双向开关管的变换器结构来实现双极性电压输出，但在实现双极性功能的同时却又引入了换流问题。
技术实现思路
本技术的目的是提供一种双极性dual-buck型直接式AC-AC变换器拓扑结构，解决了现有AC-AC变换器结构固有的换流问题、单极性电压输出问题及变换器需要设置死区时间造成的调制比利用率低的问题。本技术所采用的技术方案是，一种双极性dual-buck型直接式AC-AC变换器拓扑结构，包括单相交流电源、输入滤波电容C、dual-buck型功率变换单元、LC低通滤波器和信号控制单元；单相交流电源的输出端与dual-buck型功率变换单元的输入端连接，单相交流电源的输出端与dual-buck型功率变换单元的输入端之间连接输入滤波电容C，dual-buck型功率变换单元包括正极性桥臂和负极性桥臂，正极性桥臂的输出端A和负极性桥臂的输出端B连接LC低通滤波器的输入端，LC低通滤波器的输出端连接负载部分；LC低通滤波器包括输出滤波电容Cf，输出滤波电容Cf的两端分别连接一个输出滤波电感Lf构成两个输入端和一个输出端，两个输入端分别正极性桥臂的输出端口A和负极性桥臂的输出端口B连接，输出端连接负载；信号控制单元为单相交流电源中的过零比较电路，用于产生8个独立的PWM信号波，驱动dual-buck型功率变换单元中的开关管的接通或关断。本技术的其他特点还在于，正极性桥臂包括全控型功率开关管T2，单相交流电源的正极连接全控型功率开关管T2的发射级，全控型功率开关管T2的集电极连接全控型功率开关管T1的集电极，全控型功率开关管T1的发射极连接二极管D1c的负极，二极管D1c的正极连接全控型功率开关管T2c的发射级，全控型功率开关管T2c的集电极连接单相交流电源的负极，全控型功率开关管T2带有体二极管D2，全控型功率开关管T2c带有体二极管D2c，全控型功率开关管T1的集电极连接二极管D1的负极，二极管D1的正极连接全控型功率开关管T1c的集电极，二极管D1c的正极连接全控型功率开关管T1c的发射极，全控型功率开关管T1与二极管D1c之间引出输出端口连接分离电感L1，全控型功率开关管T1c和二极管D1之间引出输出端口连接分离电感L2，分离电感L1和分离电感L2的另一端连接后形成输出端口A连接LC低通滤波器，输出端口A的负极直接由单相交流电源负极经全控型功率开关管T2c的集电极引出。全控型功率开关管T2的集电极和二极管D1c的正极之间连接有箍位电容C1。负极性桥臂包括全控型功率开关管T2p，单相交流电源的正极连接全控型功率开关管T2p的发射级，全控型功率开关管T2p的集电极连接全控型功率开关管T1p的集电极，全控型功率开关管T1p的发射极连接二极管D1cp的负极，二极管D1cp的正极连接全控型功率开关管T2cp的发射级，全控型功率开关管T2cp的集电极连接单相交流电源的负极，全控型功率开关管T2p带有体二极管D2p，全控型功率开关管T2cp带有体二极管D2cp，全控型功率开关管T1p的集电极连接二极管D1p的负极，二极管D1p的正极连接全控型功率开关管T1cp的集电极，二极管D1cp的正极连接全控型功率开关管T1cp的发射极，全控型功率开关管T1p与二极管D1cp之间引出输出端口连接分离电感L3，全控型功率开关管T1cp和二极管D1p之间引出输出端口连接分离电感L4，分离电感L3和分离电感L4的另一端连接后形成输出端口B连接LC低通滤波器，输出端口B的负极直接由单相交流电源负极经全控型功率开关管T2cp的集电极引出。全控型功率开关管T2p的集电极与二极管D1p的正极之间连接箍位电容C2。本技术的有益效果是，一种双极性dual-buck型直接式AC-AC变换器拓扑结构相比于传统的AC-AC变换器的结构存在以下优势：(1)去除了传统的直流环节，降低了系统维护的负担，减少了功率传输级数，提高了变换效率；(2)无需采用有损耗的RC缓冲电路，也不需要采用专门的换流策略就能够实现安全换流，提高了变换器的可靠性；(3)与其他双极性AC-AC变换器相比，本技术保留了输入和输出共地的特点，使得变换器能够更好的输出与输入电压同相位或反相位的电压。此外，该变换器无论是输出与输入电压同相位还是反相位电压时都工作在相同的buck/boost工作模式下，这使得该变换器无需采用大容值的电容就能维持输出侧电流的连续；(4)本技术的拓扑结构支持多模块接法本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双极性dual‑buck型直接式AC‑AC变换器拓扑结构，其特征在于，包括单相交流电源、输入滤波电容C、dual‑buck型功率变换单元、LC低通滤波器和信号控制单元；所述单相交流电源的输出端与所述dual‑buck型所述功率变换单元的输入端连接，所述单相交流电源的输出端与所述dual‑buck型所述功率变换单元的输入端之间连接所述输入滤波电容C，所述dual‑buck型所述功率变换单元包括正极性桥臂和负极性桥臂，所述正极性桥臂的输出端A和所述负极性桥臂的输出端B连接所述LC低通滤波器的输入端，所述LC低通滤波器的输出端连接负载部分；所述LC低通滤波器包括输出滤波电容Cf，所述输出滤波电容Cf的两端分别连接一个输出滤波电感Lf构成两个输入端和一个输出端，两个所述输入端分别所述正极性桥臂的输出端口A和所述负极性桥臂的输出端口B连接，所述输出端连接负载；所述信号控制单元为所述单相交流电源中的过零比较电路，用于产生8个独立的PWM信号波，驱动所述dual‑buck型所述功率变换单元中的开关管的接通或关断。

【技术特征摘要】
1.一种双极性dual-buck型直接式AC-AC变换器拓扑结构，其特征在于，包括单相交流电源、输入滤波电容C、dual-buck型功率变换单元、LC低通滤波器和信号控制单元；所述单相交流电源的输出端与所述dual-buck型所述功率变换单元的输入端连接，所述单相交流电源的输出端与所述dual-buck型所述功率变换单元的输入端之间连接所述输入滤波电容C，所述dual-buck型所述功率变换单元包括正极性桥臂和负极性桥臂，所述正极性桥臂的输出端A和所述负极性桥臂的输出端B连接所述LC低通滤波器的输入端，所述LC低通滤波器的输出端连接负载部分；所述LC低通滤波器包括输出滤波电容Cf，所述输出滤波电容Cf的两端分别连接一个输出滤波电感Lf构成两个输入端和一个输出端，两个所述输入端分别所述正极性桥臂的输出端口A和所述负极性桥臂的输出端口B连接，所述输出端连接负载；所述信号控制单元为所述单相交流电源中的过零比较电路，用于产生8个独立的PWM信号波，驱动所述dual-buck型所述功率变换单元中的开关管的接通或关断。2.如权利要求1所述的一种双极性dual-buck型直接式AC-AC变换器拓扑结构，其特征在于，所述正极性桥臂包括全控型功率开关管T2，所述单相交流电源的正极连接所述全控型功率开关管T2的发射级，所述全控型功率开关管T2的集电极连接全控型功率开关管T1的集电极，所述全控型功率开关管T1的发射极连接二极管D1c的负极，所述二极管D1c的正极连接全控型功率开关管T2c的发射级，所述全控型功率开关管T2c的集电极连接所述单相交流电源的负极，所述全控型功率开关管T2带有体二极管D2，所述全控型功率开关管T2c带有体二极管D2c，所述全控型功率开关管T1的集电极连接二极管D1的负极，所述二极管D1的正极连接全控型功率开关管T1c的集电极，所述二极管D1c的正极连接所述全控型功率开关管T1c的发射极，所述全控型功率开关管T1与所述二极管D1c之间引出输出端口连接...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘闯，蔡国伟，汪鹏，郭东波，王艺博，
申请(专利权)人：东北电力大学，
类型：新型
国别省市：吉林,22