专利名称：单相交流变换器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及的是一种变压器技术领域的装置，具体是一种单相交流变换器。
背景技术：
在中、小功率场合中，单相工频电力变压器应用较多，但是工频变压器的体积较 大，笨重，而且效率较低。高压输入或低压输入的电力电子变压器的发展可以取代工频变压 器，具有体较小、能量密度高和效率高的优点，电力电子变压器正在发展中。但是现有的电 力电子变压器存在结构复杂、变换级数多等缺点，并因此带来效率下降、体积较大、谐波污 染等实际问题。经过对电力电子变压器技术的检索发现，中国专利申请号02139030. 4，
公开日
2003. 03. 12.，记载了一种“电力电子变压器”，采用了结构和控制原理复杂的矩阵变换器结 构，理论复杂，技术难度复杂。进一步检索发现，中国专利申请号200910025824. 3，
公开日=2009. 11. 04.，记载
了一种“多功能电力电子变压器”，同样采用了结构和控制原理复杂的变换器结构，理论复 杂，技术难度复杂，网侧功率因数难以控制。WANG JUN 等，在“智能电网技术” IEEE Trans, on Industry Electronics Magzine. 2009年6月，公开了一种电力电子变压器结构和控制原理，采用了可控整流器、高 频链变压器、高频整流器和逆变器结构，控制复杂，效率难以控制。
实用新型内容本实用新型针对现有技术存在的上述不足，提供一种单相交流变换器，适用于以 变频为主的交流电源的二次电能变换场合，具有直接交交变换、设计简单和支持大功率输 出等优点ο本实用新型是通过以下技术方案实现的，本实用新型包括输入滤波电路、交流斩 波电路、高频变压器电路、储能电路和逆变滤波电路，其中输入滤波电路的输入端和输出 端分别与单相高压正弦电源和交流斩波电路相连接，交流斩波电路输出端连接高频变压器 电路，高频变压器电路输出端连接储能电路，储能电路输出端连接逆变滤波电路，逆变滤波 电路的输出端与负载相连。所述的交流斩波电路包括八个晶体管和八个功率二极管，其中第一晶体管的 集电极、第五晶体管的集电极、第一功率二极管的阴极均与第五功率二极管的阴极相连，第 一晶体管的发射极、第一功率二极管的阳极、第二晶体管的发射极均与第二功率二极管的 阳极相连，第五晶体管的发射极、第五功率二极管的阳极、第六晶体管的发射极均与第六功 率二极管的阳极相连，第二晶体管的集电极、第二功率二极管的阴极、第三晶体管的集电极 以及第三功率二极管的阴极相连后均与高频变压器电路的一端相连，第六晶体管的集电 极、第六功率二极管的阴极、第七晶体管的集电极、第七功率二极管的阴极相连后均与高频 变压器电路中的高频变压器电路的另一端相连，第三晶体管的发射极、第三功率二极管的阳极、第四晶体管的发射极均与第四功率二极管的阳极相连，第七晶体管的发射极、第七功 率二极管的阳极、第八晶体管的发射极均与第八功率二极管的阳极相连，第四晶体管的集 电极、第四功率二极管的阴极、第八晶体管的集电极均与第八功率二极管的阴极相连，所述 第一至第四晶体管和第一至第四功率二极管构成第一桥臂，第五至第八晶体管和第五至第 八功率二极管构成第二桥臂。所述的晶体管均为SiC型绝缘栅双极型晶体管。所述的输入滤波电路包括电感和交流电容，其中第一电感的一端与交流电源 的一端相连，第一交流电容的一端与第一电感的另一端相连后与交流斩波电路的第一晶体 管的集电极相连，第一交流电容的另一端与交流电源的另一端相连后与交流斩波电路的第 四晶体管的集电极相连。所述的高频变压器电路为高频变压器，其初级绕组一端与交流斩波电路的第一桥 臂中点相连，初级绕组另一端与交流斩波电路的第二桥臂中点相连，高频变压器的次级绕 组的一端分别与储能电路的一端相连，高频变压器次级绕组的另一端与储能电路的的另一 端相连。所述的储能电路包括两个高速二极管和两个电解电容，其中第一高速二极管 的阳极与第二高速二极管的阴极相连构成第三桥臂后与高频变压器电路中高频变压器次 级绕组的一端相连，第一电解电容的阴极与第二电解电容的阳极相连构成第四桥臂后与高 频变压器电路中高频变压器次级绕组的另一端相连。所述的逆变滤波电路包括四功率M0SFET、一个电感和一个交流电容，其中第九 功率MOSFET的源极与第i^一功率MOSFET的漏极相连后与第二电感的一端相连，第二电感 的另一端与第二交流电容的一端相连后，并与输出交流电压的火线相连，第十功率MOSFET 的源极与第十二功率MOSFET的漏极相连后与第二交流电容的另一端相连，并与输出交流 电压U的零线相连。本实用新型中的输入滤波电路将脉冲电流滤波为平滑的电流，交流斩波电路将高 压工频交流电压转换成高频脉冲交流电压，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，储能电路将高频脉冲低压交流电压滤波为低压正弦半波电压， 工频逆变及输出滤波电路将低压正弦半波电压逆变并滤波成工频交流正弦波电压。本实用 新型根据高频交流斩波、高频变压器、工频逆变器工作原理以及采用高压大功率晶体管来 提高电力电子变压器的电压等级等，设计制作了支持高压大功率的新型直接交交变换器， 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、控制方便、效率较高、成本 低、实现容易等优点，尤其适用于交流电源的二次电能变换场合。
图1为本实用新型的电路原理图。
具体实施方式
下面对本实用新型的实施例作详细说明，本实施例在以本实用新型技术方案为前 提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限 于下述的实施例。[0017]如图1所示，本实施例包括输入滤波电路1、交流斩波电路2、高频变压器电路3、 储能电路4和工频逆变及输出滤波电路5，其中输入滤波电路的输入端和输出端分别与单 相高压正弦电源和交流斩波电路相连接，交流斩波电路输出端连接高频变压器电路，高频 变压器电路输出端连接储能电路，储能电路输出端连接逆变滤波电路，逆变滤波电路的输 出端与负载相连。所述的输入滤波电路1包括第一电感Ll和第一交流电容Cl，其中第一电感Ll的 一端与交流电源的一端相连，第一交流电容Cl的一端与第一电感Ll的另一端相连后与交 流斩波电路2的第一晶体管Sl的集电极相连，第一交流电容Cl的另一端与交流电源的另 一端相连后与交流斩波电路2的第四晶体管S4的集电极相连。所述的交流斩波电路2包括第一晶体管管Sl 第八晶体管管S8、第一功率二极 管Dl 第八功率二极管D8，其中第一晶体管Sl的集电极、第五晶体管S5的集电极、第一 功率二极管Dl的阴极与第五功率二极管D5的阴极相连，第一晶体管Sl的发射极、第一功 率二极管Dl的阳极、第二晶体管S2的发射极与第二功率二极管D2的阳极相连，第五晶体 管S5的发射极、第五功率二极管D5的阳极、第六晶体管S6的发射极与第六功率二极管D2 的阳极相连。第二晶体管S2的集电极、第二功率二极管D2的阴极、第三晶体管S3的集电 极、第三功率二极管D3的阴极相连后与高频变压器电路3中的高频变压器Tl初级绕组的 一端相连，第六晶体管S6的集电极、第六功率二极管D2的阴极、第七晶体管S7的集电极、 第七功率二极管D7的阴极相连后与高频变压器电路3中的高频变压器Tl初级绕组的另一 端相连，第三晶体管S3的发射极、第三功率二极管D3的阳极、第四晶体管S4的发射极与第 四功率二极管D4的阳极相连，第七晶体管S7的发射极、第七功率二极管D7的阳极、第八晶 体管S8的发射极与第八功率二极管D8的阳极相连，第四晶体管S4的集电极、第四功率二 极管D4的阴极、第八晶体管S8的集电极与第八功率二极管D8的阴极相连。所述的高频变压器电路3包括一高频变压器Tl，其中高频变压器Tl的初级绕组 一端与交流斩波电路2的第一桥臂中点相连，其初级绕组另一端与交流斩波电路2的第二 桥臂中点相连。高频变压器Tl的次级绕组的一端与储能电路的第九功率二极管D9的阳极、 第十二极管DlO的阴极相连，高频变压器Tl的次级绕组的另一端与储能电路4的第一电解 电容El的阴极、第二电解电容E2的阳极相连。储能电路4包括两高速二极管D9 DlO和两电解电容El E2，其中第一高速二 极管D9的阳极与第二高速二极管DlO的阴极相连构成第三桥臂后与高频变压器电路3中 高频变压器Tl的次级绕组的一端相连，第一电解电容El的阴极与第二电解电容E2的阳极 相连构成第四桥臂后与高频变压器电路3中高频变压器Tl的次级绕组的另一端相连。工频逆变电路5包括四功率MOSFET S9 S12、一电感L2和一交流电容C2，其中 第九功率MOSFET S9的源极与第i^一功率MOSFET SlO的漏极相连后与第二电感L2的一端 相连，第二电感L2的另一端与第二交流电容C2的一端相连后，并与输出交流电压Uo的火 线L相连，第十功率MOSFET SlO的源极与第十二功率MOSFET S12的漏极相连后与交流电 容C2的另一端相连，并与输出交流电压Uo的零线N相连。本实用新型的工作原理为交流斩波电路中，采用单相-单相矩阵变换器结构，将输入的高压工频交流电压 变换成包络线为交流工频的高频PWM电压脉冲，输入到后级高频变压器电路。输入滤波电路将交流斩波形成的脉冲电流滤波成为光滑的电流，降低网侧电流谐波含量，提高功率因 数。高频变压器将原边高压交流高频脉冲电压转换低压交流高频脉冲电压。储能电路中， 通过高速二极管以及电解电容的倍压整流和滤波作用，将低压交流高频脉冲电压转换成基 波为工频的正弦半波或方波电压。逆变滤波电路中，按照正弦半波或方波电压波头的奇数 与偶数不同，工频逆变器及输出滤波电路将其逆变并滤波成为交流正弦电压。整装置完成 直接交交变换器的功能，无需大容量的储能装置，降低了成本，提高了网侧单相_单相矩阵 变换器的开关角度，有利于功率因数的提高。 本实施例中输入交流电压6kV，输出交流有效值为120V的交流正弦电压。电感Ll 和电感L2均取lmH。交流电容Cl取lx220nF，4000V，C2取Ixl μ F，400V。电解电容El禾口 E2均取1x47 μ F, 400V。晶体管Sl S8和二极管Dl D8耐压15kV，允许通过电流100A。 高速二极管Dl D2为KSQ15A06B，实际两并联，安装于散热器。功率MOSFET S9 S12取 IRFP4468。变压器Tl为高压高频降压型开关变压器，电压变比为50 :1，开关频率为5kHz。
权利要求一种单相交流变换器，包括输入滤波电路、交流斩波电路、高频变压器电路、储能电路和逆变滤波电路，其中输入滤波电路的输入端和输出端分别与单相高压正弦电源和交流斩波电路相连接，交流斩波电路输出端连接高频变压器电路，高频变压器电路输出端连接储能电路，储能电路输出端连接逆变滤波电路，逆变滤波电路的输出端与负载相连。
2.根据权利要求1所述的单相交流变换器，其特征是，所述的交流斩波电路包括八个 晶体管和八个功率二极管，其中第一晶体管的集电极、第五晶体管的集电极、第一功率二 极管的阴极均与第五功率二极管的阴极相连，第一晶体管的发射极、第一功率二极管的阳 极、第二晶体管的发射极均与第二功率二极管的阳极相连，第五晶体管的发射极、第五功率 二极管的阳极、第六晶体管的发射极均与第六功率二极管的阳极相连，第二晶体管的集电 极、第二功率二极管的阴极、第三晶体管的集电极以及第三功率二极管的阴极相连后均与 高频变压器电路的一端相连，第六晶体管的集电极、第六功率二极管的阴极、第七晶体管的 集电极、第七功率二极管的阴极相连后均与高频变压器电路中的高频变压器电路的另一端 相连，第三晶体管的发射极、第三功率二极管的阳极、第四晶体管的发射极均与第四功率二 极管的阳极相连，第七晶体管的发射极、第七功率二极管的阳极、第八晶体管的发射极均与 第八功率二极管的阳极相连，第四晶体管的集电极、第四功率二极管的阴极、第八晶体管的 集电极均与第八功率二极管的阴极相连，所述第一至第四晶体管和第一至第四功率二极管 构成第一桥臂，第五至第八晶体管和第五至第八功率二极管构成第二桥臂。
3.根据权利要求2所述的单相交流变换器，其特征是，所述的晶体管均为SiC型绝缘栅 双极型晶体管。
4.根据权利要求2所述的单相交流变换器，其特征是，所述的输入滤波电路包括电感 和交流电容，其中第一电感的一端与交流电源的一端相连，第一交流电容的一端与第一电 感的另一端相连后与交流斩波电路的第一晶体管的集电极相连，第一交流电容的另一端与 交流电源的另一端相连后与交流斩波电路的第四晶体管的集电极相连。
5.根据权利要求2所述的单相交流变换器，其特征是，所述的高频变压器电路为高频 变压器，其初级绕组一端与交流斩波电路的第一桥臂中点相连，初级绕组另一端与交流斩 波电路的第二桥臂中点相连，高频变压器的次级绕组的一端分别与储能电路的一端相连， 高频变压器次级绕组的另一端与储能电路的的另一端相连。
6.根据权利要求1所述的单相交流变换器，其特征是，述的储能电路包括两个高速二 极管和两个电解电容，其中第一高速二极管的阳极与第二高速二极管的阴极相连构成第 三桥臂后与高频变压器电路中高频变压器次级绕组的一端相连，第一电解电容的阴极与第 二电解电容的阳极相连构成第四桥臂后与高频变压器电路中高频变压器次级绕组的另一 端相连。
7.根据权利要求1所述的单相交流变换器，其特征是，所述的逆变滤波电路包括四功 率M0SFET、一个电感和一个交流电容，其中第九功率MOSFET的源极与第i^一功率MOSFET 的漏极相连后与第二电感的一端相连，第二电感的另一端与第二交流电容的一端相连后， 并与输出交流电压的火线相连，第十功率MOSFET的源极与第十二功率MOSFET的漏极相连 后与第二交流电容的另一端相连，并与输出交流电压U的零线相连。
专利摘要一种变压器技术领域的单相交流变换器，包括输入滤波电路、交流斩波电路、高频变压器电路、储能电路和逆变滤波电路，其中输入滤波电路的输入端和输出端分别与单相高压正弦电源和交流斩波电路相连接，交流斩波电路输出端连接高频变压器电路，高频变压器电路输出端连接储能电路，储能电路输出端连接逆变滤波电路，逆变滤波电路的输出端与负载相连。本装置适用于以变频为主的交流电源的二次电能变换场合，具有直接交交变换、设计简单和支持大功率输出等优点。
文档编号H02M7/497GK201726319SQ201020288819
公开日2011年1月26日 申请日期2010年8月11日 优先权日2010年8月11日
发明者张永鑫, 杨喜军, 田书欣 申请人:上海交通大学