专利名称：高压转低压交流变换器的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种电力电子技术领域的装置，具体是一种功率因数接近于1的 高压转低压交流变换器。
背景技术：
传统的交交变换器通常使用交流变压器，它的输出电压是由初级线圈和次级线圈 的变比确定，很难得到任意的电压值。并且由于主要采用铜和铁为主要材料，体积大且非常 笨重。另外这种交流变压器带非阻性负载时电流畸变严重，功率因数很低，对电网造成污 染。电力电子变压器是电力变压器的一种替代产品，正在得到关注和发展，可以连接高压或 低压交流高频电网。电力电子变压器存在许多急需解决的问题。经过对电力电子变压器现有技术的检索发现，华中科技大学.“电力电子变压 器”·申请号02139030. 4，
公开日=2003. 03. 12 ；以及WANG JUN等，“智能电网技术””.IEEE Trans, on Industry Electronics Magzine (工业电子杂志)· 2009 年 6 月·中公开了一种 主要由初、次级功率变换器以及联系二者之间的高频变压器组成的电力电子变压器。电力 电子变压器的特点为它可以实现对变压器原副边电压幅值和相位的灵活控制，从而满足 未来电力系统很多新的要求，属于智能电网的重要组成部分。电力电子变压器采用电力电 子变流技术和高频变压器，具有提高供电可靠性、改善电能质量并且体积小、重量轻、环保 效果好等一系列优点。但是经过细致分析，上述文献所涉及的技术上存在一些不足，如电路结构庞杂，控 制难度高，难以实施，网侧功率因数控制复杂，除了技术之外的各项指标如效率、可靠性、成 本、体积等方面的指标均难以提升。基于文献检索和查新结果，目前为止，电力电子变压器的发展仍然处于起始阶段， 电路拓扑和控制算法仍然处于已有基本变换器拓扑组合和控制算法沿用阶段，表现为拓扑 复杂和控制繁琐，功能缺陷，具有成本高、体积大和可靠性低等不足。为此需要提出新的电 路拓扑和控制算法，使电力电子变压器具有控制简单和单位输入功率因数等优点。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种高压转低压交流变换器，体积小、 重量轻、效率高、成本低廉、设计简单、可靠性高且能单位功率因数运行的交交变换电路。本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括依次串联的交流斩波电路、高频 变压器电路、整流滤波电路、波形变换电路和工频逆变电路，其特征在于交流斩波电路将 输入高压工频交流电压转换成高频脉冲高压交流电压并输出至高频变压器电路，高频变压 器电路将高频脉冲高压交流电压转换为高频脉冲低压交流电压并输出至整流滤波电路，整 流滤波电路将高频脉冲低压交流电压转换为全波直流电压并输出至波形变换电路，波形变 换电路将全波直流电压升压并加入输入电流跟踪后输出至工频逆变电路，工频逆变电路将 直流电压逆变成工频交流正弦波电压或交流方波电压并输出。
所述的交流斩波电路包括第一滤波电路和与之相连的用于交流斩波的单相矩阵 变换器，其中单相矩阵变换器包括四个桥接的单相变换单元，每个单相变换单元由两个逆 向串联的绝缘栅双极型晶体管和与之对应并联的功率二极管组成；第一和第二单相变换单 元的输出端为交流斩波电路的输出端，第一滤波电路包括与交流斩波电路输入端相串联的 第一电感和与交流斩波电路输入端相并联的第一电容。所述的高频变压器电路具体为高频变压器，该高频变压器的初级绕组与交流斩波 电路的输出端相连，次级绕组与整流滤波电路输入端相连。所述的整流滤波电路包括两个整流二极管和两个电解电容，其中第九整流二 极管和第一电解电容正相串联后并联于高频变压器电路的输出端，第十整流二极管和第二 电解电容反向相串联后并联于高频变压器电路的输出端，第一电解电容的正极和第二电解 电容负极构成整流滤波的输出端。所述的波形变换电路包括一个逆导型开关、一个电感、一个功率二极管和第三电 解电容，其中第二电感与第十一功率二极管相串联，第二电解电容并联于波形变换电路的 输出端，逆导型开关S9的两端与第三电解电容的负极相连。所述的工频逆变电路包括四个桥接的变换单元和并联于工频逆变电路输出端的 电阻和电容，每个变换单元为绝缘栅双极型晶体管和反并联的功率二极管组成的逆导型开 关，四个变换单元形成两个桥臂，桥臂中点构成工频逆变电路的输出端。本发明根据高频交流斩波、高频变压器以及波形变换的工作原理以及采用高压大 功率SiCIGBT来提高电力电子变压器的电压等级等，设计制作了一种支持单位功率因数的 高压大功率新型交交变换电路，因而具有设计构思新颖、通用性强等特征，同时具有结构简 单、体积小、重量轻、效率高、实现容易等优点，还支持较宽范围功率输出，适用于各种交流 电压应用场合。
图1为本发明结构示意图。
具体实施例方式下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行 实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施 例。如图1所示，本实施例包括交流斩波电路1、高频变压器电路2、整流滤波电路3、 波形变换电路4、工频逆变电路5，其中交流斩波电路1将输入高压工频交流电压转换成高 频脉冲高压交流电压并输出至高频变压器电路2，高频变压器电路2将高频脉冲高压交流 电压转换为高频脉冲低压交流电压并输出至整流滤波电路3，整流滤波电路3将高频脉冲 低压交流电压转换为全波直流电压并输出至波形变换电路4，波形变换电路4将全波直流 电压升压并加入输入电流跟踪后输出至工频逆变电路5，工频逆变电路5将直流电压逆变 成工频交流正弦波电压或交流方波电压并输出。所述的交流斩波电路1包括电感Li、交流电容Cl，SiC IGBT Sl S8和功率二 极管Dl D8，其中电感Ll的一端与交流电源的一端相连，电容Cl的一端与电感Ll的另一端相连后与交流斩波电路的SiC IGBT Sl的集电极相连，交流电容Cl的另一端与交流电 源的另一端相连后与交流斩波电路的SiC IGBT S4的集电极相连。SiC IGBT Sl的集电极、 SiC IGBT S5的集电极、功率二极管Dl的阴极与功率二极管D5的阴极相连，SiC IGBT Sl 的发射极、功率二极管Dl的阳极、SiC IGBT S2的发射极与功率二极管D2的阳极相连，SiC IGBT S5的发射极、功率二极管D5的阳极、SiC IGBT S6的发射极与功率二极管D6的阳极 相连，SiC IGBT S2的集电极、功率二极管D2的阳极、SiC IGBT S3的集电极、功率二极管 D3的阴极相连后与高频变压器电路中高频变压器Tl的初级绕组的一端相连，SiC IGBT S6 的集电极、功率二极管D6的阳极、SiC IGBT S7的集电极、功率二极管D7的阴极相连后与 高频变压器电路中高频变压器Tl初级绕组的另一端相连，SiC IGBT S3的发射极、功率二 极管D3的阳极、SiC IGBT S4的发射极与功率二极管D4的阳极相连，SiC IGBT S7的发射 极、功率二极管D7的阳极、SiC IGBT S8的发射极与功率二极管D8的阳极相连，SiC IGBT S4的集电极、SiC IGBT S8的集电极、功率二极管D4的阴极与功率二极管D8的阴极相连。所述的高频变压器电路2电路包括高频变压器Tl，其中高频变压器Tl次级绕 组的一端与整流滤波电路的二极管D9的阳极相连后与二极管DlO的阴极相连，高频变压器 Tl次级绕组的另一端与整流滤波电路的电解电容El的阴极相连后与电解电容E2的阳极相 连。所述的整流滤波电路3包括二极管D9 DlO和电解电容El E2，其中二极管 D9的阴极与电解电容El的阳极相连后与波形变换电路中电感L2的一端相连，二极管DlO 的阳极与电解电容E2的阴极相连后与波形变换电路中逆导型开关S9的发射极相连。所述的波形变换电路4包括电感L2、逆导型开关S9、电解电容E3和二极管D11， 其中电感L2的另一端与逆导型开关S9的集电极相连后与二极管Dll的阳极相连，逆导型 开关S9的集电极与二极管Dll的阳极相连，逆导型开关S9的发射极与电解电容E3的负极 相连，二极管Dll的阴极与电解电容E3的正极相连。所述的工频逆变电路5包括逆导型开关SlO S13、交流电容C2和电阻Rl，其 中逆导型开关SlO的集电极、逆导型开关S12的集电极相连后与波形变换电路中的二极管 D12的阴极相连，逆导型开关SlO的发射极、逆导型开关Sll的集电极、电阻Rl的一端与交 流电容C2的一端相连后与输出交流电压的火线L相连，逆导型开关S12的发射极、逆导型 开关S13的集电极、电阻Rl的另一端与交流电容C2的另一端相连后与输出交流电压的零 线N相连，逆导型开关Sll的发射极、逆导型开关S13的发射极相连后与波形变换电路中的 电解电容E3的负极相连。本发明的工作原理为交流斩波电路中，采用单相矩阵变换器结构，将输入的高压工频交流电压变换成 交流高频PWM电压脉冲，输入到后级高频变压器电路。输入LC滤波器将交流斩波形成的脉 冲电流滤波成为光滑的电流，降低网侧电流谐波。高频变压器将原边的高压交流高频脉冲 电压转换为低压交流高频脉冲电压。整流滤波电路将高频交流脉冲电压整流滤波为全波直 流电压。波形变换电路实现升压作用并使电流跟踪电压，从而实现单位功率因数。工频逆 变电路将直流电压逆变成为交流正弦电压或交流方波电压。整个装置完成由高压交流电压 到低压交流电压的变换，并能实现高输入功率因数运行。本实施例中输入交流电压6kV，输出有效值为220V的交流正弦或方波电压，额定
5输出功率10kW。高压电感Ll取lmH，电感L2取2mH。高压交流电容Cl取4xl00nF，6kV耐压， 实际上每两并联后串联，分散就近布置。电阻Rl取50kQ5W，交流电容C2取100nF，400V。 SiC IGBT Sl S8和二极管Dl D8耐压15kV，允许通过电流10A。二极管D9 Dll耐压 400V，允许通过电流75A，反向快速恢复型。电解电容El E3取220uF，400V。高频变压器 Tl为高压高频开关变压器，电压变比为50 1。逆导型开关SlO S13耐压400V，允许通 过电流75A。 本装置中采用了波形变换电路、储能电路以及交流斩波电路的使用能够带来有益 结果获得网侧单位功率因数，使得整个线路中无功电流成分最小化，改善变换器的变换特 性。而且带来结构简单、设计容易、体积减少和可靠性高等优点。
权利要求
一种高压转低压交流变换器，包括依次串联的交流斩波电路、高频变压器电路、整流滤波电路、波形变换电路和工频逆变电路，其特征在于交流斩波电路将输入高压工频交流电压转换成高频脉冲高压交流电压并输出至高频变压器电路，高频变压器电路将高频脉冲高压交流电压转换为高频脉冲低压交流电压并输出至整流滤波电路，整流滤波电路将高频脉冲低压交流电压转换为全波直流电压并输出至波形变换电路，波形变换电路将全波直流电压升压并加入输入电流跟踪后输出至工频逆变电路，工频逆变电路将直流电压逆变成工频交流正弦波电压或交流方波电压并输出。
2.根据权利要求1所述的高压转低压交流变换器，其特征是，所述的交流斩波电路包 括第一滤波电路和与之相连的用于交流斩波的单相矩阵变换器，其中单相矩阵变换器 包括四个桥接的单相变换单元，每个单相变换单元由两个逆向串联的绝缘栅双极型晶体管 和与之对应并联的功率二极管组成；第一和第二单相变换单元的输出端为交流斩波电路的 输出端，第一滤波电路包括与交流斩波电路输入端相串联的第一电感和与交流斩波电路输 入端相并联的第一电容。
3.根据权利要求1所述的高压转低压交流变换器，其特征是，所述的高频变压器电路 具体为高频变压器，该高频变压器的初级绕组与交流斩波电路的输出端相连，次级绕组与 整流滤波电路输入端相连。
4.根据权利要求1所述的高压转低压交流变换器，其特征是，所述的整流滤波电路包 括两个整流二极管和两个电解电容，其中第九整流二极管和第一电解电容正相串联后 并联于高频变压器电路的输出端，第十整流二极管和第二电解电容反向相串联后并联于高 频变压器电路的输出端，第一电解电容的正极和第二电解电容负极构成整流滤波的输出 端。
5.根据权利要求1所述的高压转低压交流变换器，其特征是，所述的波形变换电路 包括一个逆导型开关、一个电感、一个功率二极管和第三电解电容，其中第二电感与第 十一功率二极管相串联，第二电解电容并联于波形变换电路的输出端，逆导型开关S9的两 端与第三电解电容的负极相连。
6.根据权利要求1所述的高压转低压交流变换器，其特征是，所述的工频逆变电路包 括四个桥接的变换单元和并联于工频逆变电路输出端的电阻和电容，每个变换单元为绝 缘栅双极型晶体管和反并联的功率二极管组成的逆导型开关，四个变换单元形成两个桥 臂，桥臂中点构成工频逆变电路的输出端。
全文摘要
一种电力电子技术领域的高压转低压交流变换器，包括依次串联的交流斩波电路、高频变压器电路、整流滤波电路、波形变换电路和工频逆变电路，交流斩波电路将输入高压工频交流电压转换成高频脉冲高压交流电压并输出至高频变压器电路，高频变压器电路将高频脉冲高压交流电压转换为高频脉冲低压交流电压并输出至整流滤波电路，整流滤波电路将高频脉冲低压交流电压转换为全波直流电压并输出至波形变换电路，波形变换电路将全波直流电压升压并加入输入电流跟踪后输出至工频逆变电路，工频逆变电路将直流电压逆变成工频交流正弦波电压或交流方波电压并输出。本发明体积小、重量轻、效率高、成本低廉、设计简单、可靠性高且能单位功率因数运行的交交变换电路。
文档编号H02M5/458GK101951168SQ20101028244
公开日2011年1月19日 申请日期2010年9月16日 优先权日2010年9月16日
发明者张永鑫, 杨喜军, 田书欣, 钟莉娟 申请人:上海交通大学