[发明专利]一种级联型单相交流转直流隔离变换器

说明书

本发明公开一种级联型单相交流转直流隔离变换器。级联型单相交流转直流隔离变换器由多个交流转直流隔离变换器模块输入侧串联、输出侧并联组成。模块的输入侧全桥结构为单级式AC/DC变换提供基础。输入侧、输出侧全桥的调制策略与合理的控制方法实现直流稳定输出和功率因数调节功能。这种变换器及控制方法克服两级式交直流变换器第一级直流端输出电容较大的不足，减小设备体积和重量。

技术领域

本发明涉及电力技术领域，具体是一种级联型单相交流转直流隔离变换器。

背景技术

用于火车、地铁、车辆等领域的牵引变换器，需要具有将中压交流变换为低压直流的功能。常规牵引变换器设备采用低频变压器实现。低频变压器体型巨大、重量沉。当具有低频变压器的变换器设备具有高电流密度时，低频变压器效率将降低。为了克服这个问题，研究采用高频环节的交流-直流变换器成为一个趋势，并致力于减小这些变换器的重量和体积。

现有的应用于中压电网的具有高频环节的交流-直流变换器采用AC/DC/DC两级式变换。但第一级交直变换环节的直流输出端一个大容量电容提供电压支撑，占用体积较大。研究无大容量直流电容的变换器有利于降低体积、减小重量、节省成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种级联型单相交流转直流隔离变换器，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

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，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。

作为本发明的进一步方案：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。

作为本发明的进一步方案：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。

作为本发明的进一步方案：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。