一种单相X型互错式三电平交流调压电路的制作方法

本实用新型涉及电力电子调压技术领域，特别涉及一种包括开关管保护电路的反相位输出的一种单相X型互错式三电平交流调压电路。

背景技术：

交流调压电路是将交流输入电压通过变换电路转换为一定范围内电压可调的交流电的电路。随着电力电子技术的飞速发展，各行各业对电气设备性能要求的提高，对电压的性能要求越来越高。许多行业的用电设备不是直接使用电网提供的交流电作为电源，而是通过各种调压电路对电网交流电进行变换，从而得到各自需要的电能形式。

CN101039078A公开了一种非隔离式的直接调压电路。CN102185481B和CN102882389A讲述的是从交流到直流变换的一种电路结构，只能应用于LED照明电路中。迄今为止，国内外电力电子研究人员对于调压电路的研究，主要集中在AC-DC-AC的间接变换和DC-DC变换形式，对AC-AC调压的研究多集中于同相位变换的电路结构；对多电平调压变换电路的研究也较两电平调压电路少，而且多电平电路的研究主要集中在多电平逆变器中，对于多电平AC-AC直接变换调压电路的研究也比较有限。所研究的调压电路大多存在电路结构复杂、输出电压波形质量不高、调压过程慢等缺陷。

在实现本实用新型时，发明人发现对于该电路中的双管双向开关管，在不加缓冲电路的情况下即可实现软关断，但单管双向开关管却存在大量峰值很高的尖峰电压，而且现有的RCD等开关管缓冲电路在单管双向开关管的开断过程中仍出现不少尖峰电压，不能很好地实现软开断，这无疑会增加开关损耗，降低电路的调压效率。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种单相X型互错式三电平交流调压电路，该电路可以实现AC/AC斩波直接反相位变换，以直流变换电路结构为基础，利用X型互错式开关管的结构输出三电平，使调压电路具有三电平调压变换电路的优势，具有电路结构简单、单级变换、输出电压谐波少、电压应力小、且输出电压调节快的优点。同时，电路中的开关管保护部分可以实现单管双向开关管的软关断，减小开关损耗。

本实用新型解决该技术问题所采用的技术方案是：一种单相X型互错式三电平交流调压电路，包括主电路部分和开关管保护部分，其中主电路部分包括电源U_i、电感L_i、电感L_o、电容C₁、电容C₂、电容C、IGBT开关管S₁、IGBT开关管S₂、IGBT开关管S₃、IGBT开关管S₄、IGBT开关管S₅、IGBT开关管S₆、二极管D₁～D₄、二极管D₀₁～D₀₈、电阻R。开关管保护部分包括L_r1(L_r2)、电容C_r1(C_r2)、电容C_S1(C_S2)。IGBT开关管S₁、IGBT开关管S₂、D₁、D₂构成双管双向开关管；IGBT开关管S₃、IGBT开关管S₄、D₃、D₄构成另一个双管双向开关管；IGBT开关管S₅、D₀₁～D₀₄构成单管双向开关管；IGBT开关管S₆、D₀₅～D₀₈构成另一个单管双向开关管。上述器件的连接方式为：电源U_i的一端与L_i的一端连接，L_i的另一端与C₁、C_S1、L_r1的一端连接，同时与S₁的漏极、D₁的阴极连接，S₁的源极与S₂的源极、D₂的阳极连接，S₂的漏极与D₂的阴极连接，同时与U_i的另一端、C_S2、L_r2、C₂的一端连接，L_r1的另一端接D₀₁的阳极、D₀₃的阴极，D₀₁的阴极与D₀₂的阴极、S₅的漏极、C_r1的一端连接，S₅的源极与D₀₃的阳极、D₀₄的阳极、C_r1的另一端连接，L_r2的另一端接D₀₅的阳极、D₀₇的阴极，D₀₅的阴极与D₀₆的阴极、S₆的漏极、C_r2的一端连接，S₆的源极与D₀₇的阳极、D₀₈的阳极、C_r2的另一端连接，C₁的另一端与D₀₆的阳极、D₀₈的阴极、C_S2的另一端连接，同时与S₃的漏极连接、L_o的一端连接，C₂的另一端与D₀₂的阳极、D₀₄的阴极、C_S2的另一端连接，同时与S₄的漏极连接，S₃的漏极与D₃的阴极连接，S₃的源极与D₃的阳极、S₄的源极连接，S₄的源极与D₄的阳极连接，S₄的漏极与D₄的阴极连接，L_o的另一端与C、R的一端连接，C、R的另一端都与S₄的漏极连接。

上述一种单相X型互错式三电平交流调压电路，其主电路调压变换的工作原理为：根据单相三电平AC-AC变换电路输入电压U_i的极性划分，调压变换电路分为(I)、(II)两个模态，每个模态下又分为四个开关模式。

其中(I)模态为当U_i＞0时，开关管S₂、S₄处于半周期截止状态，四个开关模式为：

开关模式1：S₅导通，其余关断。电源U_i通过U_i、L_i、D₀₁、S₅、D₀₄、C₂构成的回路为电容C₂充电，电容C₂右端为正，同时为电感L_i储能，而电容C₁通过C₁、D₀₁、S₅、D₀₄、R、L_o构成的回路为电感L_o和负载R供电。此时ab两端输出的电平为-U_C，其中U_C为C₁两端的电压；

开关模式2：S₁导通，其余关断。电源U_i通过U_i、L_i、S₁、D₂构成的回路为电感L_i储能，而电容C₁、C₂通过C₁、S₁、D₂、C₂、R、L_o构成的回路为电感L_o和负载R供电。此时ab两端输出的电平为-2U_C，其中2U_C为C₁、C₂两端的电压；

开关模式3：S₆导通，其余关断。电源U_i、电感L_i通过U_i、L_i、C₁、D₀₆、S₆、D₀₇构成的回路为电容C₁充电，电容C₁左端为正，而电容C₂通过R、L_o、D₀₆、S₆、D₀₇构成的回路为电感L_o和负载R供电。此时ab两端输出的电平为-U_C，其中U_C为C₂两端的电压；

开关模式4：S₃导通，其余关断。电源U_i、电感L_i通过U_i、L_i、C₁、S₃、D₄、C₂构成的回路为电容C₁、C₂充电，而电感L_o通过L_o、S₃、D₄、R构成的回路为负载R续流。此时ab两端输出的电平为零。

(II)模态为当U_i＜0时，开关管S₁、S₃处于半周期截止状态，四个开关模式为：

开关模式1：S₆导通，其余关断。电源U_i通过U_i、D₀₅、S₆、D₀₈、C₁、L_i构成的回路为电容C₁充电，电容C₁右端为正，同时为电感L_i储能，而电容C₂通过C₂、D₀₅、S₆、D₀₈、L_o、R构成的回路为电感L_o和负载R供电。此时ab两端输出的电平为U_C，其中U_C为C₂两端的电压；

开关模式2：S₂导通，其余关断。电源U_i通过U_i、S₂、D₁、L_i构成的回路为电感L_i储能，而电容C₁、C₂通过C₁、L_o、R、C₂、S₂、D₁构成的回路为电感L_o和负载R供电。此时ab两端输出的电平为2U_C，其中2U_C为C₁、C₂两端的电压；

开关模式3：，S₅导通，其余关断。电源U_i、电感L_i通过U_i、C₂、D₀₂、S₅、D₀₃、L_i构成的回路为电容C₂充电，电容C₂左端为正，而电容C₁通过C₁、L_o、R、D₀₂、S₅、D₀₃构成的回路为电感L_o和负载R供电。此时ab两端输出的电平为U_C，其中U_C为C₁两端的电压；

开关模式4：S₄导通，其余关断。电源U_i、电感L_i通过U_i、C₂、S₄、D₃、C₁、L_i构成的回路为电容C₁、C₂充电，而电感L_o通过L_o、R、S₄、D₃构成的回路为负载R续流。此时ab两端输出的电平为零。

上述一种单相X型互错式三电平交流调压电路，输出电压与输入电压实现了反相位变换。

上述一种单相X型互错式三电平交流调压电路，只要调节好ab输出端的0、U_C、2U_C三个电平导通时间，就可以自如实现输入与输出电压的升降压功能，而且ab端的电压输出为三电平形式，属多电平变换技术，较两电平电路拥有输出电压正弦度高、电压应力小、电压谐波少、畸变率低的优势。

上述一种单相X型互错式三电平交流调压电路，在实际应用中为了避免开关管被击穿，所用开关管保护电路即CLC缓冲电路是一种新型的拓扑电路，由电感L_r、电容C_r、C_S组成，CLC与单管双向开关管的续流二极管相结合，可以实现变换电路中单管双向开关管的软关断，具有减小尖峰电压和电压应力，减缓开关管电压迅速上升的特点。

上述一种单相X型互错式三电平交流调压电路，所用开关管保护电路即CLC缓冲电路，主要用于保护主电路中的单管双向开关管，对于其他Buck、Boost、Buck-boost等交流直接变换电路中应用到单管双向开关管的电路同样适用。

上述一种单相X型互错式三电平交流调压电路，所用CLC缓冲电路的工作原理为：可以分为开关管S₅和开关管S₆的过程分析，其中又分为开关管的开通过程与关断过程分析，开关管S₅的过程分析如下：1)开关管S₅开通时，因电路中因缓冲电感L_r和二极管D₀₁开启效应的作用，开关管S₅实现零电流导通。S₅导通后，电容C_r两端电压V_Cr先发生下降变化，V_Cr＜V_CS，此时电源和C_s共同为L_r储能，电感电流i_Lr逐渐上升，因电容C_S的存在，i_Lr大于电路中电流，之后V_Cr与V_CS不断下降，电感与开关管中的电流逐渐恢复到电路电流，最后，V_Cr＝V_CS＝0，i_Lr＝i_S1＝I_L，开通过程结束。变换器进入正常工作状态。2)开关管S₅关断，因缓冲电容C_r电压不突变的特性，电容两端电压V_Cr仍为0，开关管实现了零电压关断。开关管S₅中的电流i_S1迅速下降，但电感电流i_Lr不会迅速下降，此时i_Lr通过D₀₁、C_r、D₀₃形成回路，V_Cr与V_CS同步上升。当开关管S₅完全截止，C_r在电源和缓冲电感放电的作用下电压还在升高，直到上升至U_C。最后，V_Cr＝V_CS＝U_C，i_Lr＝i_S1＝0，关断过程结束。变换器进入正常工作状态。开关管S₆的开通与关断过程与S₅类似。

上述一种单相X型互错式三电平交流调压电路，其中所涉及的零部件均是本技术领域的技术人员所熟知并可以商购获得的，所涉及的零部件连接和安装方法是本技术领域的技术人员所能掌握的。

本实用新型的显著进步是，与现有技术相比，本实用新型突出的实质性特点和显著进步如下：

1)本实用新型一种单相X型互错式三电平交流调压电路，为一种新型的三电平AC-AC调压电路，可以实现输入与输出电压的反相位变换。

2)本实用新型一种单相X型互错式三电平交流调压电路，具有拓扑简单、电压应力小、单级变换等优点，它不仅实现了三电平的转换和输出电压的宽范围调节，提高了电路的功率密度和效率，还减少了电压波形的畸变率和IGBT开关管的导通损耗。

3)本实用新型一种单相X型互错式三电平交流调压电路，在调压变换电路的模式切换中，每次仅有两个开关管之间进行变换，相对于其他多电平交流调压电路的导通模式之间的切换较为简单，在每个模式下仅有一个开关管处于导通状态，减小了损耗，提高了变换效率，且在输入电压正负周期中，两对结构对称且导通时间对称的开关管，这对于调压变换电路的控制驱动电路提供了便利条件。

4)本实用新型一种单相X型互错式三电平交流调压电路，应用一种新型的开关管保护电路CLC缓冲电路，降低了IGBT开关管因过电压而击穿的风险。在主电路工作过程中每个工作模态无需设置死区时间，实现了IGBT开关管的软关断。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图1是本实用新型一种单相X型互错式三电平交流调压电路的总电路拓扑图。

图2是本实用新型一种单相X型互错式三电平交流调压电路的主电路工作过程原理图。

图3是本实用新型一种单相X型互错式三电平交流调压电路的开关管保护电路拓扑图。

具体实施方式

图1所示实施例表明，本实用新型一种单相X型互错式三电平交流调压电路的总电路拓扑结构，包括交流电源U_i，七个电容C₁、C₂、C、C_r1、C_r2、C_S1、C_S2、，四个电感L_i、L_o、L_r1、L_r2，六个IGBT开关管S₁、S₂、S₃、S₄、S₅、S₆，十二个快恢复二极管D₁～D₄、D₀₁～D₀₈，一个电阻R。其中S₁、S₂、D₁、D₂组成双管双向开关管，S₃、S₄、D₃、D₄组成另一个双管双向开关管，S₅、D₀₁～D₀₄构成单管双向开关管，S₆、D₀₅～D₀₈构成另一个单管双向开关管。上述器件的连接方式为：输入电源U_i的一端与L_i的一端连接，L_i的另一端与C₁、C_S1、L_r1的一端连接，同时与S₁的漏极、D₁的阴极连接，S₁的源极与S₂的源极、D₂的阳极连接，S₂的漏极与D₂的阴极连接，同时与U_i的另一端、C_S2、L_r2、C₂的一端连接，L_r1的另一端与D₀₁的阳极、D₀₃的阴极连接，D₀₁的阴极与D₀₂的阴极、S₅的漏极、C_r1的一端连接，S₅的源极与D₀₃的阳极、D₀₄的阳极、C_r1的另一端连接，L_r2的另一端与D₀₅的阳极、D₀₇的阴极连接，D₀₅的阴极与D₀₆的阴极、S₆的漏极、C_r2的一端连接，S₆的源极与D₀₇的阳极、D₀₈的阳极、C_r2的另一端连接，C₁的另一端与D₀₆的阳极、D₀₈的阴极、C_S2的另一端连接，同时与S₃的漏极连接、L_o的一端连接，C₂的另一端与D₀₂的阳极、D₀₄的阴极、C_S2的另一端连接，同时与S₄的漏极连接，S₃的漏极与D₃的阴极连接，S₃的源极与D₃的阳极、S₄的源极连接，S₄的源极与D₄的阳极连接，S₄的漏极与D₄的阴极连接，L_o的另一端与C、R的一端连接，C、R的另一端都与S₄的漏极连接。该图实例表明，此三电平电路的电路结构满足Cuk型电路基本结构，两个单管双向开关管X型互错于C₁、C₂两电容间电路中，元器件数量较少，结构简单，且存在对称结构，在输入电源的正负半周期可实现对称控制，控制方式简单。

图2所示实施例表明，本实用新型一种单相X型互错式三电平交流调压电路的主电路调压变换工作过程原理图，其中图(I)为模态(I)时的四个开关模式图，此模态下电容C₁左端为正，电容C₂右端为正。图(a)为开关模式1：S₅导通，其余关断。电源U_i、L_i、D₀₁、S₅、D₀₄、C₂构成的回路，电容C₁、D₀₁、S₅、D₀₄、R、L_o构成的回路。图(b)为开关模式2：S₁导通，其余关断。电源U_i、L_i、S₁、D₂构成的回路，电容C₁、S₁、D₂、C₂、R、L_o构成的回路。图(c)为开关模式3：S₆导通，其余关断。电源U_i、L_i、C₁、D₀₆、S₆、D₀₇构成的回路，电容C₂、R、L_o、D₀₆、S₆、D₀₇构成的回路。图(d)为开关模式4：S₃导通，其余关断。电源U_i、L_i、C₁、S₃、D₄、C₂构成的回路，电感L_o、S₃、D₄、R构成的回路。图(II)为模态(II)时的四个开关模式，此模态下电容C₁右端为正，电容C₂左端为正。图(e)为开关模式1：S₆导通，其余关断。电源U_i、D₀₅、S₆、D₀₈、C₁、L_i构成的回路，电容C₂、D₀₅、S₆、D₀₈、L_o、R构成的回路。图(f)为开关模式2：S₂导通，其余关断。电源U_i、S₂、D₁、L_i构成的回路，电容C₁、C₂通过C₁、L_o、R、C₂、S₂、D₁构成的回路。图(g)为开关模式3：S₅导通，其余关断。电源U_i、C₂、D₀₂、S₅、D₀₃、L_i构成的回路，电容C₁、L_o、R、D₀₂、S₅、D₀₃构成的回路。图(h)为开关模式4：S₄导通，其余关断。电源U_i、C₂、S₄、D₃、C₁、L_i构成的回路，电感L_o、R、S₄、D₃构成的回路。

图3所示实施例表明，本实用新型一种单相X型互错式三电平交流调压电路的开关管S₅、S₆的CLC缓冲保护电路，包含一个电感L_r、两个电容C_S、C_r。电路中的电容C_S一端与电感L_r一端连接，电感L_r另一端与D₀₁(D₀₅)的阳极、D₀₃(D₀₇)的阴极连接，D₀₁(D₀₅)的阴极接开关管S₅(S₆)的漏极、D₀₂(D₀₆)的阴极、电容C_r的一端，S₅(S₆)的源极接D₀₃(D₀₇)的阳极、D₀₄(D₀₈)的阳极、电容C_r的另一端，D₀₄(D₀₈)的阴极接D₀₂(D₀₆)的阳极、电容C_S的另一端。CLC电路与单管双向开关管中的二极管结合，实现变换电路中开关管的零开断。对于其他Buck、Boost、Buck-boost等交流直接变换电路中应用到单管双向开关管的电路同样适用。