隔离型单相AC‑AC变换器的制作方法

本发明涉及电力电子变换技术领域，具体地，涉及一种隔离型单相AC-AC变换器。

背景技术：

AC-AC电力变换器是一种电能转换装置，可以把一种形式的交流电直接变成另一种形式的交流电。目前AC-AC电力变换器研究领域主要集中在相控变频器和矩阵变换器等方面。随着新兴应用领域的不断拓宽(如无线电能传输领域)，对高频AC-AC变换的需求愈加强烈。

经过对现有技术的检索发现，季一润在2014年的《中国科技信息》上提出了一种新型的直接AC-AC变换器，省去了传统变压器中的整流和高频逆变等环节。该结构是一种基于双向开关的能量注入式谐振电路，可以将几十赫兹直接变换为几十千赫兹。罗全明等人在2014年的《中国电机工程学报》上提出了一种输出为高频正弦交流电压的单级高频AC-AC变换器，其内部包括功率因数校正和高频DC/AC变换两个功率变换单元。在专利方面，杨飏在2015年公开了一种新型基于Buck-Boost的AC-AC变换器，实现了输出交流电压的连续变化，且输出电压范围宽、体积小。

综上所述，目前AC-AC变换领域已逐渐出现高频化、模块化和新型化的特点，但是仍然存在控制策略复杂、没有电气隔离等缺陷。随着实践应用的推广，设计一种控制策略简易、电路拓扑简单、有效隔离输入输出的AC-AC变换器便成为了一个新的研究方向。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种隔离型单相AC-AC变换器。

根据本发明提供的隔离型单相AC-AC变换器，主要由两级AC-AC变换器组成，包括第一级AC-AC变换器和第二级AC-AC变换器，所述第一级AC-AC变换器的输出端与第二级AC-AC变换器的输入端连接。其中，所述第一级AC-AC变换器通过相互连接的全桥电路和变压器实现对输入电压的高频斩波和升降压处理，所述第二级AC-AC变换器通过相互连接的整流电路和逆变电路实现高频交流电到DC的变换及DC逆变。

所述第一级AC-AC变换器使用四个双向型可控开关器件对输入交流电压进行斩波，得到高频交流电，通过变压器将其传递到副边；所述第二个AC-AC变换器先用整流电路将由副边得到的高频交流电变换成直流电，之后再用主要由四个逆导型开关器件构成的逆变电路进行逆变，从而得到交流电压。

优选地，所述第一级AC-AC变换器的电路结构包括：电感L1、电容C1、双向型可控开关器件BS1、双向型可控开关器件BS2、双向型可控开关器件BS3、双向型可控开关器件BS4、带有中心抽头的变压器T1。

具体地，电感L1的一端与交流电源的输入端ACL相连，电感L1的另一端与电容C1相连，电容C1的另一端与交流电源的另一端ACN相连。双向型可控开关器件BS1、双向型可控开关器件BS2、双向型可控开关器件BS3和双向型可控开关器件BS4构成一个全桥电路，其中双向型可控开关器件BS1的一端与双向型可控开关器件BS2的一端相连，双向型可控开关器件BS1的另一端与双向型可控开关器件BS3的一端相连，双向型可控开关器件BS2和双向型可控开关器件BS3的另一端通过双向型可控开关器件BS4连接起来。整个全桥电路中，主要由双向型可控开关器件BS1和双向型可控开关器件BS3组成的桥臂中双向型可控开关器件BS1和双向型可控开关器件BS3连接点与电感L1和电容C1的连接点相连，主要由双向型可控开关器件BS2和双向型可控开关器件BS4组成的桥臂中双向型可控开关器件BS2和双向型可控开关器件BS4的连接点与电容C1和电源的连接点相连。全桥电路中，双向型可控开关器件BS1和双向型可控开关器件BS2的连接点与变压器T1原边的一个输入端相连，双向型可控开关器件BS3和双向型可控开关器件BS4的连接点与变压器T1原边的另一输入端相连。变压器T1的副边作为AC-AC变换器的输出端与第二级AC-AC变换器的输入端相连。

优选地，所述第二级AC-AC变换器的电路结构包括：二极管D1、二极管D2、逆导型开关器件S1、逆导型开关器件S2、逆导型开关器件S3、逆导型开关器件S4、电感L2、电容C2。

具体地，二极管D1和二极管D2构成整流电路，二极管D1的正极与AC-AC变换器的一个输出端即变压器T1副边的一个输出端相连，二极管D2的正极与AC-AC变换器的另一输出端即变压器T1副边的另一输出端相连，二极管D1和二极管D2的负极相连后与逆变电路相连接。所述逆变电路主要由逆导型开关器件S1、逆导型开关器件S2、逆导型开关器件S3和逆导型开关器件S4组成，其中逆导型开关器件S1的源极与逆导型开关器件S2的漏极相连，逆导型开关器件S1的漏极与逆导型开关器件S3的漏极相连，逆导型开关器件S2的源极与逆导型开关器件S4的源极相连，逆导型开关器件S3的源极与逆导型开关器件S4的漏极相连。二极管D1和二极管D2的负极的连接点与逆变电路中逆导型开关器件S1和逆导型开关器件S3的漏极的连接点相连，变压器T1副边的抽头与逆变电路的逆导型开关器件S2和逆导型开关器件S4的源极的连接点相连。逆变电路中逆导型开关器件S1的源极和逆导型开关器件S2的漏极的连接点与电感L2的一端相连，逆导型开关器件S3的源极和逆导型开关器件S4的漏极的连接点与电容C2的一端相连。电感L2的另一端与电容C2的另一端相连。电容C2的两端作为整个第二级AC-AC变换器的输出端。

本发明的工作原理及工作过程为：输入电压首先通过电感L1和电容C1进行滤波，之后主要由双向型开关器件BS1、双向型开关器件BS2、双向型开关器件BS3和双向型开关器件BS4组成的全桥电路对滤波后的电压进行高频斩波，斩波后的电压输出连接到变压器T1进行升降压操作，变压器T1副边得到期望的电压幅值；之后，由二极管D1和二极管D2对从变压器T1副边得到的高频交流电压进行整流，变为直流电，接着，主要由逆导型开关S1、逆导型开关S2、逆导型开关S3和逆导型开关S4组成的逆变电路对直流电进行逆变，得到交流电，最后通过主要由电感L2和电容C2组成的滤波电路对逆变后的交流电进行滤波之后将其输出，得到带有期望幅值的输出交流电压。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明提供的单位功率因数隔离型AC-DC变换器，利用双向型开关器件BS1、双向型开关器件BS2、双向型开关器件BS3和双向型开关器件BS4实现了对输入电压的高频斩波，使得变压器的重量和体积能够大大减小。

2、本发明利用变压器进行升降压变换，易于操作，而且实现了输入端和输出端的电气隔离。

3、本发明电路拓扑简单，控制策略简易，易于推广应用。

4、本发明电路，操作方便，能够通过改变变压器变比实现升降压功能。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明提供的实施例的电路原理图。

图2(a)为单相交流输入电压与输入电流波形图。

图2(b)为4个双向型开关器件的PWM驱动脉冲图。

图2(c)为变压器初级交流电压波形图。

图2(d)为变压器次级交流电压波形图。

图2(e)为整流电路输出电压波形图。

图2(f)为逆导型开关器件S1-S4的驱动PWM脉冲波形图。

图2(g)为逆变电路图。

图1中，1为第一级AC-AC变换器，2为第二级AC-AC变换器。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

根据本发明提供的隔离型单相AC-AC变换器，主要由两级AC-AC变换器组成，包括第一级AC-AC变换器和第二级AC-AC变换器，其中，所述第一级AC-AC变换器的输出端与第二级AC-AC变换器的输入端连接；所述第一级AC-AC变换器通过相互连接的全桥电路和变压器实现对输入电压的高频斩波和升降压处理，所述第二级AC-AC变换器通过相互连接的整流电路和逆变电路实现高频交流电到DC的变换及DC逆变。

所述第一级AC-AC变换器使用四个双向型可控开关器件对输入交流电压进行斩波，得到高频交流电，通过变压器将其传递到副边；所述第二个AC-AC变换器先用整流电路将由副边得到的高频交流电变换成直流电，之后再用主要由四个逆导型开关器件构成的逆变电路进行逆变，从而得到交流电压。

优选地，所述第一级AC-AC变换器包括：电感L1、电容C1、双向型可控开关器件BS1、双向型可控开关器件BS2、双向型可控开关器件BS3和双向型可控开关器件BS4、带有中心抽头的变压器T1。

具体地，电感L1的一端与交流电源的输入端ACL相连，电感L1的另一端与电容C1相连，电容C1的另一端与交流电源的另一端ACN相连。双向型可控开关器件BS1、双向型可控开关器件BS2、双向型可控开关器件BS3和双向型可控开关器件BS4构成一个全桥电路，其中双向型可控开关器件BS1的一端与双向型可控开关器件BS2的一端相连，双向型可控开关器件BS1的另一端与双向型可控开关器件BS3的一端相连，双向型可控开关器件BS2和双向型可控开关器件BS3的另一端通过双向型可控开关器件BS4连接起来。整个全桥电路中，主要由双向型可控开关器件BSl和双向型可控开关器件BS3组成的桥臂中双向型可控开关器件BS1和双向型可控开关器件BS3连接点与电感L1和电容C1的连接点相连，主要由双向型可控开关器件BS2和双向型可控开关器件BS4组成的桥臂中双向型可控开关器件BS2和双向型可控开关器件BS4的连接点与电容C1和电源的连接点相连。全桥电路中双向型可控开关器件BS1和双向型可控开关器件BS2的连接点与变压器T1原边的一个输入端相连，双向型可控开关器件BS3和双向型可控开关器件BS4的连接点与变压器T1原边的另一输入端相连。变压器T1的副边作为AC-AC变换器的输出端与第二级AC-AC变换器的输入端相连。

优选地，所述第二级AC-AC变换器包括：二极管D1和二极管D2、逆导型开关器件S1、逆导型开关器件S2、逆导型开关器件S3和逆导型开关器件S4、电感L2、电容C2。

具体地，二极管D1和二极管D2构成整流电路，二极管D1的正极与AC-AC变换器的一个输出端即变压器T1副边的一个输出端相连，二极管D2的正极与AC-AC变换器的另一输出端即变压器T1副边的另一输出端相连，二极管D1和二极管D2的负极相连后与一个逆变电路相连接。所述逆变电路主要由逆导型开关器件S1、逆导型开关器件S2、逆导型开关器件S3和逆导型开关器件S4组成，其中逆导型开关器件S1的源极与逆导型开关器件S2的漏极相连，逆导型开关器件S1的漏极与逆导型开关器件S3的漏极相连，逆导型开关器件S2的源极与逆导型开关器件S4的源极相连，逆导型开关器件S3的源极与逆导型开关器件S4的漏极相连。二极管D1和二极管D2的负极的连接点与逆变电路中逆导型开关器件S1和逆导型开关器件S3的漏极的连接点相连，变压器T1副边的抽头与逆变电路的逆导型开关器件S2和逆导型开关器件S4的源极的连接点相连。逆变电路中逆导型开关器件S1的源极和逆导型开关器件S2的漏极的连接点与电感L2的一端相连，逆导型开关器件S3的源极和逆导型开关器件S4的漏极的连接点与电容C2的一端相连。电感L2的另一端与电容C2的另一端相连。电容C2的两端作为整个第二级AC-AC变换器的输出端。

本发明的工作原理及工作过程为：输入电压首先通过电感L1和电容C1进行滤波，之后主要由双向型可控开关器件BS1、双向型可控开关器件BS2、双向型可控开关器件BS3和双向型可控开关器件BS4组成的全桥电路对其进行高频斩波，其输出连接到变压器T1进行升降压操作，变压器T1的副边得到期望的电压幅值；之后，由二极管D1和二极管D2对从变压器T1的副边得到的高频交流电压进行整流，变为正弦半波的直流电压，接着，主要由逆导型开关器件S1、逆导型开关器件S2、逆导型开关器件S3和逆导型开关器件S4组成的逆变电路对直流进行逆变，得到交流电，最后通过主要由电感L2和电容C2组成的滤波电路对其进行滤波之后将其输出，得到带有期望幅值的输出交流电压。

本发明重要的是变压器T1的原边高频斩波(通过双向型可控开关器件BS1、双向型可控开关器件BS2、双向型可控开关器件BS3和双向型可控开关器件BS4)和变压器T1的副边整流逆变(通过二极管D1、二极管D2和逆导型开关器件S1、逆导型开关器件S2、逆导型开关器件S3、逆导型开关器件S4)，这种方式的控制策略都非常简单。主要由双向型可控开关器件BS1、双向型可控开关器件BS2、双向型可控开关器件BS3和双向型可控开关器件BS4组成的全桥电路对输入交流电压进行斩波，由此得到高频交流电。通过把输入电压高频化，可以大大减小用来做电压幅值变换的变压器T1的体积和重量，同时变压器T1的应用也使得电压输入端和输出端实现了电气隔离，提高了输入端的安全性；变压器T1的副边用两个二极管先进行整流，之后主要由四个逆导型开关器件组成的逆变电路进行逆变，得到所需要的输出交流电。

如图1所示，本实施例提供的单位功率因数隔离型AC-DC变换器，能够实现高频斩波和功率因数校正功能。

本实施例中，所述的隔离型单相AC-AC变换器，包括电感L1-电感L2、电容C1-电容C2、双向型可控开关器件BS1-双向型可控开关器件BS4、变压器T1、二极管D1-二极管D2、逆导型开关器件S1-逆导型开关器件S4，其中：

电感L1的一端与输入电压的一端相连，电感L1的另一端与电容C1的一端、双向型可控开关器件BS1的下端和双向型可控开关器件BS3的上端相连；

电容C1的另一端与输入电压的另一端、双向型可控开关器件BS2的下端和双向型可控开关器件BS4的上端相连；

双向型可控开关器件BS1的上端与双向型可控开关器件BS2的上端、变压器T1原边的上端相连；

双向型可控开关器件BS3的下端与双向型可控开关器件BS4的下端、变压器T1原边的下端相连；

变压器T1副边上端与二极管D1的正极相连，变压器T1副边下端与二极管D2的正极相连，变压器T1中心抽头与逆导型开关器件S2的源极和逆导型开关器件S4的源极相连；

二极管D1的负极分别与二极管D2的负极、逆导型开关器件S1的漏极、逆导型开关器件S3的漏极相连；

电感L2的一端分别与逆导型开关器件S1的源极、逆导型开关器件S2的漏极相连，电感L2的另一端与电容C2的一端相连；

电容C2的另一端分别与逆导型开关器件S3的源极和逆导型开关器件S4的漏极相连。

本实例中上述各个元器件的选型可以优选为：

电感L1-电感L2：330uH，30A，用于滤波；

电容C1-电容C2：2.0uF，30A，用于滤波；

双向型可控开关器件(BS1-BS4)：600V，30A；

功率二极管(D-D2)：600V，30A/100℃，用于整流；

逆导型开关器件(S1-S4)：600V，30A，用于逆变。

整个电路具体工作时：

单相交流输入电压与输入电流波形如图2(a)所示，图中，u_i表示输入电压，i_i表示输入电流。电感L1和电容C1构成LC回路，对单相交流输入电压进行滤波，之后主要由4个双向型开关器件组成的全桥电路进行高频斩波。4个双向型开关器件的PWM驱动脉冲如图2(b)所示。当输入端交流电压的上半波加到全桥电路上时，控制双向型可控开关器件BS1和双向型可控开关器件BS4接通的同时双向型可控开关器件BS2和双向型可控开关器件BS3断开，变压器T1原边两端承受正向电压，控制双向型可控开关器件BS2和双向型可控开关器件BS3接通的同时双向型可控开关器件BS1和双向型可控开关器件BS4断开，变压器T1原边两端承受反向电压，在双向型可控开关器件BS1-双向型可控开关器件BS4的门极施加高频驱动信号，输入端交流电压的上半波将成为具有正弦轮廓的高频交流电压；同理，当输入端交流电压的下半波加到全桥电路上时，控制双向型可控开关器件BS1和双向型可控开关器件BS4接通的同时双向型可控开关器件BS2和双向型可控开关器件BS3断开，变压器T1原边两端承受反向电压，控制双向型可控开关器件BS2和双向型可控开关器件BS3接通的同时双向型可控开关器件BS1和双向型可控开关器件BS4断开，变压器T1原边两端承受正向电压，在双向型可控开关器件BS1-双向型可控开关器件BS4的门极施加高频驱动信号，输入端交流电压的下半波将成为具有正弦轮廓的与上半波刚好上下颠倒的高频交流电。变压器初级交流电压波形如图2(c)所示，图中，u_p表示变压器T1初级电压。经过变压器T1，交流电压幅值发生了改变，实现了调压功能。由变压器T1副边输出的交流电跟高频斩波得到的交流电频率和相角完全相同，只是幅值有所改变。变压器次级交流电压波形如图2(d)所示，图中，u_s表示变压器T1次级电压。经过主要由二极管D1和二极管D2构成的整流电路时，正半波电压通过二极管D1输出，负半波电压通过二极管D2输出，因此得到全为正向的正向半波直流电压，实现了整流功能。整流电路输出电压波形如图2(e)所示，图中，u_o1表示整流电路的输出电压。主要由4个逆导型开关器件组成的逆变电路对整流得来的直流电压进行逆变，当一个半波加在逆变电路上时，保持逆导型开关器件S1和逆导型开关器件S4开通，保持逆导型开关器件S2和逆导型开关器件S3关断，加在电感L2和电容C2组成的滤波电路两端的电压为正向电压；当下一个半波加在逆变电路上时，保持逆导型开关器件S2和逆导型开关器件S3开通，保持逆导型开关器件S1和逆导型开关器件S4关断，加在电感L2和电容C2组成的滤波电路两端的电压为负向电压，按照每半个输出周期交替同时控制逆导型开关器件S1和逆导型开关器件S4、逆导型开关器件S2和逆导型开关器件S3的通断，就可以得到期望复制的交流输出电压。逆导型开关器件S1-S4的驱动PWM脉冲波形如图2(f)所示。逆变电路如图2(g)所示，图中，u_o2表示隔离型单相AC-AC变换器的输出电压。

本发明可用于器件体积较小、控制策略简单的AC-DC变换领域。通过使用变压器，实现了交流电压的幅值变换，同时使得电压输入端与输出端实现了隔离；对输入电压进行高频斩波，大大缩小了变压器的重量和体积；控制策略简单，整流电路为使用了二极管的不可控整流，逆变电路的脉冲信号输出频率跟输入电压的频率相等。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。