[发明专利]一种级联型单相交流转直流隔离变换器

权利要求书

1.一种级联型单相交流转直流隔离变换器，包括多个交流-直流隔离变换器模块，其特征在于，多个交流-直流隔离变换器模块级联起来，并与输入电感串联，交流-直流隔离变换器模块包括用于滤除由开关管动作引起的高频电压分量的输入电容、输入侧全桥电路、串联谐振电路和输出侧全桥电路，输入电容并连接在输入侧全桥电路的两个输入端之间，输入侧全桥电路和串联谐振电路串联连接，串联谐振电路的输出端连接输出侧全桥电路，串联谐振电路具有两个同参数的谐振电容和一个高频变压器，两个谐振电容分别和高频变压器的初级绕组、次级绕组的漏感形成串联谐振，输出侧全桥电路由四个开关管构成，其中每个双向开关由两个开关管共发射极串联组成，每个交流-直流隔离变换器模块的输入侧全桥单个双向开关管控制方式是，一个开关管导通，另一个开关管进行PWM调制，四个双向开关管以开关频率按方波调制方式导通，由此将交流电网电压转换为高频电压，输入侧全桥交流端口处形成占空比为50％的高频方波电压，一个开关周期内，该高频方波电压幅值与当前时刻输入交流电压的幅值相同，从开关频率维度分析，一个开关周期内的高频方波电压可以分解出基波分量，从输入交流电压频率维度观察，每个交流-直流隔离变换器模块输入侧全桥交流端口处的高频方波电压包络线为正弦形状，且该包络线正弦形状与该模块输入交流电压相同，每个交流-直流隔离变换器模块的串联谐振电路包含两个谐振电容和一个高频变压器，高频变压器实现电压等级变换和电气隔离的功能，高频变压器的初级和次级绕组均包含漏感，两个漏感分别与两个谐振电容形成串联谐振，当开关管开关频率与谐振频率相同时，电路处于谐振状态，使电路具有零电压开关、控制简单等特性，此外，谐振电容具有隔直作用，防止变压器偏磁，每个交流-直流隔离变换器模块的输出侧全桥采用移相控制方式，各开关的驱动信号均由载波与占空比调制波比较形成，开关管以开关频率工作，载波频率是开关频率的两倍，同一桥臂的上下两个开关管开关信号互补，超前桥臂与滞后桥臂之间存在一个移相比例，使输出侧全桥得交流端口处形成具有一定占空比的双极性高频电压，该占空比按输入交流电压的二倍频率进行周期性变化，双极性高频电压在每一个开关周期内具有相同的幅值，该幅值等于输出电压幅值，从开关频率维度分析，一个开关周期内的双极性高频电压可以分解出基波分量，该基波分量相位与输入侧全桥的高频方波电压基波分量相位相同，从输入交流电压频率维度观察，输出侧全桥的高频电压基波分量幅值形成的包络线呈现正弦波形状，电路通过调节每一个开关周期内输出侧全桥双极性高频电压的占空比，改变输出侧全桥高频电压基波幅值，从而改变输出直流电压的幅值及输入侧功率因数，设计输出侧全桥占空比调制波形，占空比调制波形与载波比较产生输出侧全桥开关管驱动信号，从而使变换器输出期望的直流电压和交流侧功率因数，输出侧全桥占空比调制波形表达式：式中，D为输出侧全桥双极性高频电压占空比，U₁为第一个模块输入交流电压幅值，U_dc为输出直流电压幅值，ω为输入交流电压角频率，t为时间，γ为占空比相位补偿角度，当输入电压不变时，调节U₁/U_dc即可改变输出电压幅值，调节γ即可改变输入侧功率因数，当各交流-直流隔离变换器模块参数相近时，各模块具有自动均压特性，即各模块输入电压相同，因此各模块采用相同的调制方案及占空比调制波，n个交流-直流隔离变换器模块的输入端串联，形成新的输入端口，与中压交流电连接；n个交流-直流隔离变换器模块输出端并联，形成一个新的直流输出端口，变换器采用闭环控制方式，分为直流电压控制器与功率因数角控制器，两个控制器均采用比例-积分(PI)控制方式，具体工作方式为：采集输出直流电压，与参考直流电压作差后经过直流电压PI控制器，获得电压调节比U_a1/U_dc；采集交流侧功率因数角，与参考功率因数角作差，经过功率因数PI控制器，获得占空比相位补偿角度γ，将获得的两个输出量输入进占空比调制波表达式，获得相应的占空比调制波D，与载波比较得到输出侧全桥开关管驱动信号。