新型级联准阻抗源AC‑AC变换器的制作方法

本实用新型属于交流变换器技术领域，具体涉及一种新型级联准阻抗源AC-AC变换器。

背景技术：

目前应用比较多的交流电压变换电路的拓扑结构有Boost型、Buck型、Buck-Boost型，是在它们的DC-DC直流变换器的拓扑结构的基础上，用双向功率开关代替单向开关，正弦交流电源代替直流电源，Buck型和Boost型电路拓扑结构是研究的最早的两种电力电子电路的拓扑结构，Buck型电路只能实现对交流输入电压的降压功能，Boost型电路只能实现对交流输入电压的升压功能，单一的实现降压和升压功能限制了两种拓扑电路的应用场合。虽然Buck-Boost型交流拓扑电路能够实现对输入电压的升降压调节，但是该电路拓扑作为一个二阶系统，在其奈奎斯特曲线的右半平面有零点，于是在系统中就会有不稳定响应的存在，制约了其在交流升降压场合的应用推广。传统的准阻抗源交流调压器只有一个准阻抗源网络，受限于目前的工业制造水平，其电路中的电子器件无法与理论参数完全相符，所以当需要有较高的变压能力时，其输出波形会发生畸变，甚至根本无法与理论结果相同，会使输出电能质量变差，从而污染整个电网。

技术实现要素：

本实用新型的目的是针对上述不足，提出了一种电能输出稳定，可无限级联，提高了变压能力的新型级联准阻抗源AC-AC变换器。

本实用新型具体采用如下技术方案：

新型级联准阻抗源AC-AC变换器，包括交流变换器电路，所述交流变换器电路包括大升压比阻抗网络，大升压比阻抗网络连接交流变换器电路的输入端和输出端，大升压比阻抗网络包括相级联的第一级准阻抗源和多级改进准阻抗源，第一级准阻抗源包括第一储能电感、第二储能电感、第一储能电容、第二储能电容和第一开关，每一级改进准阻抗源包括开关、储能电感和两个储能电容，最后一级改进准阻抗源的输出端连接第三开关。

优选地，所述第一开关与改进准阻抗源中的开关形成一开关组，开关组内的开关与第三开关互补导通。

优选地，所述最后一级改进准阻抗源的输出端连接滤波电路，滤波电路为LC滤波电路。

优选地，所述第一储能电感、第二储能电感和改进准阻抗源中的储能电感的电感值相等。

优选地，所述第一储能电容、第二储能电容和改进准阻抗源中的储能电容的电容大小相等。

优选地，所述改进准阻抗源为一级以上。

本实用新型具有如下有益效果：

(1)新型级联准阻抗源AC-AC变换器采用新的电路拓扑结构，与传统准阻抗源交流调压器相比输出电能质量高、稳定性好、升压比大、电路中电容的电压应力和电感的电流应力小；

(2)大升压比阻抗网络可以无限级级联，极大的提高了变压能力；

(3)该新型级联准阻抗源AC-AC变换器动态性能好、电路的拓扑结构简单、网侧功率因数高等优点，集节约性、高效性、创新性与一起，在交流电压的稳压和调压场合受到了越来越广泛的推广应用；

(4)该新型级联准阻抗源AC-AC变换器不仅可应用于调压，也可用在逆变器，极大提高了电池的使用寿命；

(5)该新型级联准阻抗源AC-AC变换器的末端采用LC滤波，实现了功率流的双向流动，具有很好的通用。

附图说明

图1为新型级联准阻抗源AC-AC变换器电路结构图；

图2为开关S1和S2同时关断，S3导通时新型级联准阻抗源AC-AC变换器电路示意图；

图3为开关S1和S2同时关断，S3导通时，电容器Cf向电感Lf充电电路示意图；

图4为开关S1和S2同时导通，S3关断时，新型级联准阻抗源AC-AC变换器电路示意图；

图5为开关S1和S2同时导通，S3关断时，Vi和L1，L2，L3给负载供电的电路状态示意图；

图6为开关S1和S2同时导通，S3关断时，网络的电感电流递减至ILf时，负载由网络电容器供电电路状态示意图；

图7为用Matlab/Simulink对电路拓扑进行仿真，D＝0.4时仿真的输入和输出波形；

图8为用Matlab/Simulink对电路拓扑进行仿真，D＝0.6时仿真的输入和输出波形；

图9为用示波器测量的D＝0.1时的电路升压波形；

图10为用示波器测出的D＝0.65时的电路降压波形。

其中，1为第一级准阻抗源，2为改进准阻抗源。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型的具体实施方式做进一步说明：

如图1所示，新型级联准阻抗源AC-AC变换器，包括交流变换器电路，交流变换器电路包括大升压比阻抗网络，大升压比阻抗网络连接交流变换器电路的输入端和输出端，大升压比阻抗网络包括相级联的第一级准阻抗源1和多级改进准阻抗源2，改进准阻抗源的为一级以上，第一级准阻抗源包括第一储能电感L1、第二储能电感L2、第一储能电容C1、第二储能电容C2和第一开关S1，每一级改进准阻抗源包括开关S2、储能电感L3和两个储能电容C3、C4，最后一级改进转准阻抗源的输出端连接第三开关S3。

第一开关S1与改进准阻抗源中的开关S2形成一开关组，开关组内的开关与第三开关S3互补导通。

最后一级改进准阻抗源的输出端连接滤波电路，滤波电路为LC滤波电路。

第一储能电感L1、第二储能电感L2和改进准阻抗源中的储能电感L3的电感值相等，第一储能电容C1、第二储能电容C2和改进准阻抗源中的储能电容C3、C4的电容大小相等。

因为输入电源的频率远远小于开关频率fs，所以分析电路时输入电压可看做直流。新型准阻抗源交流变换器根据不同的电流方向有以下五种工作状态：

工作状态1：如图2所示，第一开关S1和开关S2同时关断，第三开关S3导通，共有四个电压回路，输入电压Vi、第二储能电容器C2和储能电容C4给储能电感L1充电，第一储能电容器C1、储能电容C4给第二储能电感L2充电，储能电容C3给储能电感L3充电，电感Lf给负载供电。

工作状态2：如图3，第一开关S1和开关S2同时关断，第三开关S3导通，在状态1时，I_Lf递减到零时电容器Cf会向电感Lf充电，电感电流将反向递增，此时与工作状态1有相同的电压关系。

工作状态3：如图4，第一开关S1和开关S2同时导通，第三开关S3关断，若此时I_Lf反向电流，Lf会向大升压比准阻抗源网络反馈能量，此时电源电压Vi和电感L1给电容器C1充电，第二储能电感L2给电第二储能容器C2充电，储能电感L3给储能电容C4充电，同时Vi、L1、L2、L3给负载供电。

工作状态4：如图5，第三开关S3关断，第一开关S1和开关S2同时导通，大升压比准阻抗源网络的工作状态与状态3类似，但此时I_Lf正向流动，Vi和L1，L2，L3给负载供电，大升压比准阻抗源网络的电感电流将会递减。

工作状态5：如图6，同状态4，网络的电感电流递减至I_Lf时，负载由网络电容器供电，电压关系在第三S3关断，第一开关S1和开关S2同时导通条件下仍成立。

如图7-8所示，对电路拓扑利用MATLAB/Simulink进行了仿真研究和分析，并给出了系统仿真结果，仿真参数为L1＝L2＝L3＝100μH,C1＝C2＝C3＝C4＝25μF，Lf＝1mH，Cf＝50μF，R＝100Ω，fs＝20kHz，Vi＝24V。分别给出了D＝0.4和D＝0.6时仿真的升压和降压的波形。

按仿真结果搭建出实验电路，控制电路部分采用TMS320F2812产生出互补的PWM信号，驱动部分采用落木源KA962D驱动板，主电路的全控型开关采用SGH80N60UFDUltrafast IGBT。

示波器测出了D＝0.1和D＝0.65时候的升压和降压波形(Ui为输入，Uo为输出)，如图9和图10所示。

通过实验结果验证了理论分析和计算机仿真结果的正确性。通过仿真结果和实验结果可以知道新型级联准阻抗源AC-AC变换器解决了传统交流变换器输出电压不稳定、电能质量差的问题。由仿真和实验结果可以看出新型级联准阻抗源AC-AC变换器的输出电压非常稳定，输出电能质量非常高，并且具备升压和降压两种能力，完全可以很好的达到工业和农业生产中对交流调压的要求。

新型级联准阻抗源AC-AC变换器采用新的电路拓扑结构，与传统准阻抗源交流调压器相比输出电能质量高、稳定性好、升压比大、电路中电容的电压应力和电感的电流应力小；

大升压比阻抗网络可以无限级级联，极大的提高了变压能力；随着社会和工业的发展，人们对调压器的变压能力势必然会越来越高，新型级联准阻抗源AC-AC变换器可以通过级联更多的阻抗源网络，就可以满足对变压能力提升的需求。

该新型级联准阻抗源AC-AC变换器动态性能好、电路的拓扑结构简单、网侧功率因数高等优点，集节约性、高效性、创新性与一起，在交流电压的稳压和调压场合受到了越来越广泛的推广应用；在某些电压波动比较大、供电质量比较差的偏僻地区，利用新型级联准阻抗源AC-AC变换器能够对输入电压实现消除滤波、净化电压质量、稳定电压的功能。在许多民用电气设备和工厂企业的电气生产设备中，输入电源需要与之匹配的电压，这是就需要通过交流调压设备对电网的输入电压进行调压，调节出电气设备需要的额定的电压。所以无论是在工业生产还是在农业应用中，对新型级联准阻抗源AC-AC变换器的研究都是非常必要的。

该新型级联准阻抗源AC-AC变换器不仅可应用于调压，也可用在逆变器，极大提高了电池的使用寿命。目前，在工业生产中，调压是一个非常热门的研究方向，但是在实际的生产中，还需要将交流电变为直流电，如手机和笔记本电脑充电、对移动电源进行充电等，这就需要逆变器，而且不仅仅是将输入电能进行简单的逆变，而是先对输入电进行调压再通过逆变桥得到需要的直流电，应用最广的就是手机和笔记本电脑充电器，因为手机和笔记本电脑内部元件都属于弱电器件，所以对手机和笔记本电脑充电不能直接将220V电压输入电池内，必需要在充电器内先进行降压再逆变为直流电。当前，在工业和日常生活的应用中，最流行的方法是先将输入电压进行升压或者降压，这就需要在逆变器前面加一个能稳定输出的调压器。目前手机和笔记本电脑都属于相对精密和高端的电器设备，所以对输入电压需要有较高的精确度、稳定性以及可控性。传统的调压器，因其主要使用二极管做为控制器件，二极管是一种不可控器件，其导通和关断只受限于电流的正向还是反向，完全不能根据人们的需求自由控制，而且很不稳定，抗干扰能力很差，这就导致了传统调压器的可控性和稳定性很差，传统的调压器经常在实验室理论上成立，但是搭建出实验电路后却得不到想要的结果，原因很多，但是二极管的不稳定性是非常常见的一种原因。新型级联准阻抗源AC-AC变换器使用的是MOSFET/IGBT作为开关控制器件，MOSFET/IGBT是一种很稳定的电力电子器件，而且其相对于二极管，最大的特点就是可控性，是一种可控器件，完全可以根据人的需要控制其开通和关断。目前因MOSFET/IGBT开关管相较于二极管有压倒性的优势，所以应用非常广泛，其发展和使用非常成熟，价格也低廉，不论是其稳定性、可控性还是经济性都是不二的选择。新型级联准阻抗源AC-AC变换器将MOSFET/IGBT作为开关，大大提高了整个电路拓扑的稳定性和可控性，所以在对输入电能要求较高的情况下，如果使用新型级联准阻抗源AC-AC变换器，将会使电气设备的可靠性大大提升。可以预见，如果将新型级联准阻抗源AC-AC变换器放于逆变桥之前，应用于手机和笔记本电脑充电器中，将会极大提升电池的使用寿命。

该新型级联准阻抗源AC-AC变换器的末端采用LC滤波，实现了功率流的双向流动，具有很好的通用。

当然，上述说明并非是对本实用新型的限制，本实用新型也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本实用新型的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本实用新型的保护范围。