雙向電源變換器制造技術

本文公開了一類能夠在交流電源和直流電源之間或者交流電源和交流電源之間進行隔離式雙向轉換的電源變換器的電路結構和操作方法。該類雙向電源變換器在兩側電源端口都只使用單級開關電路即能夠實現雙向電源變換所需要的全部功能以及開關器件的軟開關操作，在完成電源變換功能的同時，也對交流端實現功率因數調整的功能，為雙向電源變換的應用提供了一種高效率、低成本的解決方案。

Bidirectional power converter

The present invention discloses a circuit structure and operation method of a power converter capable of performing isolated two-way conversion between an AC power supply and a DC power supply, or between an AC power supply and an AC power supply. The bidirectional power converter in the power port on both sides will use only single level switch circuit which can all the functions needed to achieve bidirectional power converter and soft switching operation of the switching device, in the complete power conversion function at the same time, also realize the power factor adjustment function on the AC side, provides a solution for a high efficiency and low the cost for the application of bidirectional power converter.

【技術實現步驟摘要】
雙向電源變換器背景介紹專利技術所屬領域本專利公開了電源變換領域里的一項專利技術，更具體地說是一類能夠允許電能雙向流動的隔離型電源變換器的電路結構和操作方法。該雙向電源變換器在電源的初級和次級各使用單級開關電路即能夠完成雙向電源變換所需要的全部功能，實現高效率、低成本的交流-交流和交流-直流之間的雙向電源變換，而且能夠同時對交流端完成功率因數調整的功能。相關領域的描述隨著日益迫切的環境保護的需求人們越來越廣泛地要求在各個領域使用綠色能源。各種再生能源的應用和多種能源之間的聯網成為亟需發展的領域，在發展這些技術的同時發電設備、用電設備和電能轉換裝置的工作效率、零件和材料消耗以及設備的成本等也成為日益關注的課題。本專利申請既是在這樣的前提下提出了一種在交流和直流接口的多種組合情況下能夠靈活地允許電能進行雙向流動的電源變換器，而且在電源的初級和次級只需要使用所公開的單級電路結構即能夠完成電源轉換所需要的所有功能，為市場提供了一種高效率、低成本、小體積的電源轉換解決方案。在多能源互聯網的應用中交流-直流之間的雙向電源轉換是比較常見的情況，而且在多數情況下為了滿足安全性的要求需要在被轉換的電源之間提供絕緣隔離，圖1描述了這樣一種典型的雙向交流-直流電源變換器。如圖所示，電路右邊是直流側，使用傳統的全橋電路，當能量從右向左流動時，電路進行全橋開關操作，把直流能量轉換為高頻交流信號通過變壓器傳輸到左側，當能量需要從左向右流動時，該全橋電路工作在同步整流狀態，把變壓器傳輸過來的高頻交流信號整流為直流輸出。在左邊的交流側電路包含由LA、LB、Q1A、Q1B、Q2A和Q2B所組成的PFC電路和Q3A、Q3B、Q3C和Q3D所組成的全橋電路。在工作過程中變壓器TF1兩邊的兩個全橋電路通過變壓器的耦合提供雙向的直流電源轉換，而由LA、LB、Q1A、Q1B、Q2A和Q2B所組成的PFC電路在能量從交流端流向直流端時提供升壓式的PFC功能，把交流輸入轉換成高于交流峰值的直流電壓向雙向直流電源轉電路供電，而當能量從直流端向交流端流動時，PFC電路的功能轉變為降壓式的直流到交流變換器，把雙向直流電源轉換電路所輸送過來的直流能量轉換成交流能量，向交流端輸出和端電壓同頻同相的正弦電流。很顯然這一傳統電路所使用的電子開關器件數量比較多，而且還需要使用電感，電源的變換經過三級開關電路的操作完成，所以操作過程中的導通損耗和開關損耗會比較大，系統成本也比較高。本專利技術的總結本專利技術所公開的交直流雙向電源變換器通過一類新型的電路拓撲和新型的開關操作控制方法，能夠使用比較簡單的電路結構和交流端直接連接，通過軟開關操作實現雙向交流-直流變換或雙向交流-交流變換功能，而且在實現變換的同時完成交流側的功率因數調節功能，為多能源互聯網提供了一種結構簡單、高效率、低成本的解決方案。附圖說明圖1描述了一種傳統的隔離式雙向交流-直流電源變換器電路。圖2描述了本專利技術所公開的一種雙向交流-直流電源變換器的原理電路和操作波形。圖3描述了圖2所公開的雙向交流-直流電源變換器的另一種操作方法和操作波形。圖4描述了本專利技術所公開的另一種雙向交流-直流電源變換器的原理電路和操作波形。圖5描述了圖4所公開的雙向交流-直流電源變換器的另一種操作方法和操作波形。圖6描述了使用模塊式雙向交流-直流電源變換器組成多路串并聯電源結構的系統組成方法。圖7描述了本專利技術所公開的一種雙向交流-交流電源變換器的原理電路和操作波形。圖8描述了本專利技術所公開的另一種雙向交流-交流電源變換器的原理電路和操作波形。圖9描述了使用模塊式雙向交流-交流電源變換器組成多路串并聯電源結構的系統組成方法。專利技術的詳細描述圖2(A)描述了本案所公開的雙向交流-直流電源變換器的一個電路例子，在單相輸入的情況下使用單級變換電路直接實現功率因數調節和隔離型直流電壓變換的電路結構。如圖中所示，變換器電路的左半邊為交流側，有兩條開關橋臂，每條橋臂分別由兩個N型MOSFET電子開關管Q1、Q2和Q3、Q4串聯組成，上管的源極和下管的漏極相連接形成開關節點；變壓器TF1的初級繞組510和諧振電容C3串聯后跨接在兩個開關節點之間；交流電源的兩個端口AC1、AC2不通過整流橋直接連接到兩個橋臂的上管Q1和Q3的漏極，交流濾波電容C1接在AC1和AC2之間，兩個橋臂的下管Q2和Q4的源極則直接連接在一起；變換器電路的右半邊為直流側，變壓器TF1的次級繞組520經過和電容C4串聯后和一個全橋電路連接，全橋電路由Q5，Q6，Q7，Q8組成，Q5和Q6以及Q7和Q8形成兩條橋臂，次級繞組520和電容C4所形成的串聯回路接在兩條橋臂中間的開關節點之間，兩條橋臂的上端，也即Q5和Q7的漏極連接在一起作為全橋電路的正電壓端，兩條橋臂的下端，也即Q6和Q8的源極連接在一起作為全橋電路的負電壓端，直流濾波電容C2接在全橋電路的正電壓端和負電壓端之間做直流濾波。圖2(B)和圖2(C)概念性地描述了在能量從交流端向直流端傳輸時的兩種不同的電路開關操作波形，其中VG1、VG2、VG3、VG4分別為其所對應的交流側的電子開關管的門極控制信號波形。在圖2(B)所描述的操作波形中兩個上管Q1和Q3同時導通，兩個下管Q2和Q4也同時導通而且和Q1、Q3的開關操作成互補狀態，也即當Q1和Q3導通時Q2和Q4截止，當Q1和Q3截止時Q2和Q4導通。在實際操作中上管和下管交換開關狀態時插入一個死區時間以防止由開關管關斷延遲時間而引起的瞬時短路現象。死區時間的設定原則是在上一個半周導通開關的門控信號由高變低時，下一個半周要導通的開關的門控信號在延遲了一個死區時間后才由低變高。此概念為本領域中的專業人士所熟知，所以在圖2(B)的操作波形中死區時間沒有表示出來，以使得操作原理波形更清晰易懂。圖2(B)所描述的電路的開關操作頻率范圍通常為幾十千赫到幾百千赫，遠高于輸入交流的工頻頻率，故爾從AC1和AC2兩端輸入的工頻交流電壓對于電路的開關操作而言相當于幅值和極性在緩慢變化的直流信號。當上管Q1和Q3導通時變壓器TF1的初級繞組510受到和AC1、AC2輸入的電壓極性相應的激勵。當Q1、Q3關斷而Q2、Q4導通時，電容C3通過Q2、Q4對初級繞組510進行放電，使初級繞組510受到反方向的激勵，整個周期的過程和半橋電路的操作相似。因為從AC1和AC2兩端輸入的電壓在每半周期內對電路的開關操作而言相當于幅值緩變的直流，C3兩端的電壓能夠始終跟隨輸入電壓的變化而且平均值保持在輸入電壓幅值的一半左右，使得變壓器TF1的初級繞組510得到和電路開關操作頻率一致的對稱交流激勵。當輸入工頻電壓的極性轉換到另一個半周時，C3兩端的電壓極性也會通過電路的開關操作隨著輸入電壓的極性轉換，電路的半橋操作的極性也隨之轉換。這樣只要按照圖2(B)所示的波形來控制電路的操作，電路就會維持在半橋操作狀態，而且變壓器TF1的初級繞組的激勵電壓和C3兩端的電壓極性會隨著工頻交流輸入的極性而自動改變。當輸入電壓的AC1端口為正時，C3兩端的電壓為左正右負；當輸入電壓的AC2端口為正時，C3兩端的電壓為左負右正。變壓器的初級繞組的激勵電壓和四個電子開關的操作相對應的極性也隨著自動改變，這樣在不使用整流橋的情況下，直接把工本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種能夠實現交流電源和直流電源之間雙向轉換的電路和操作方法，其特征在于：兩條交流開關橋臂，每條橋臂分別由兩個電子開關串聯組成，橋臂的上端電子開關的負電壓端和下端電子開關的正電壓端相連接形成開關節點，橋臂的上端電子開關的正電壓端作為橋臂的正電壓端口，橋臂的下端電子開關的負電壓端作為橋臂的負電壓端口，兩條橋臂的負電壓端連接在一起，兩條橋臂的正電壓端分別作為交流接口的兩個端口，一個交流電容并接在兩個交流端口之間；一個全橋電路，其兩條橋臂分別由兩個電子開關管串聯組成，每條橋臂的上端電子開關的負電壓端和下端電子開關的正電壓端相連接形成開關節點，橋臂的上端電子開關的正電壓端作為橋臂的正電壓端口，橋臂的下端電子開關的負電壓端作為橋臂的負電壓端口，兩條橋臂的正電壓端連接在一起作為直流接口的的正電壓端口，兩條橋臂的負電壓端連接在一起作為直流接口的負電壓端口，一個直流電容并接在兩個直流端口之間；一個變壓器，其第一繞組和一個電容串聯后跨接在兩條交流開關橋臂的兩個開關節點之間，其第二繞組和另一個電容串聯后跨接在全橋電路的兩條橋臂的兩個開關節點之間；在操作過程中兩條交流開關橋臂的上端電子開關同時導通和截止，兩條交流開關橋臂的下端電子開關也同時導通和截止，上端電子開關和下端電子開關以接近50％的最大占空比交替導通和截止，最大占空比等于50％減去死區時間，全橋電路中處于對角位置的電子開關同時導通和截止，兩組對角電子開關以接近50％的最大占空比交替導通和截止而且和相對應的交流開關橋臂的開關操作同步進行，電路的操作通過開關頻率的變化來調節電路的電壓增益，在交流到直流和直流到交流的雙向轉換過程中調節輸出電壓的同時，使得交流端口的電流跟隨所需要的正弦波形同步變化，而且同時實現軟開關操作。...

【技術特征摘要】
1.一種能夠實現交流電源和直流電源之間雙向轉換的電路和操作方法，其特征在于：兩條交流開關橋臂，每條橋臂分別由兩個電子開關串聯組成，橋臂的上端電子開關的負電壓端和下端電子開關的正電壓端相連接形成開關節點，橋臂的上端電子開關的正電壓端作為橋臂的正電壓端口，橋臂的下端電子開關的負電壓端作為橋臂的負電壓端口，兩條橋臂的負電壓端連接在一起，兩條橋臂的正電壓端分別作為交流接口的兩個端口，一個交流電容并接在兩個交流端口之間；一個全橋電路，其兩條橋臂分別由兩個電子開關管串聯組成，每條橋臂的上端電子開關的負電壓端和下端電子開關的正電壓端相連接形成開關節點，橋臂的上端電子開關的正電壓端作為橋臂的正電壓端口，橋臂的下端電子開關的負電壓端作為橋臂的負電壓端口，兩條橋臂的正電壓端連接在一起作為直流接口的的正電壓端口，兩條橋臂的負電壓端連接在一起作為直流接口的負電壓端口，一個直流電容并接在兩個直流端口之間；一個變壓器，其第一繞組和一個電容串聯后跨接在兩條交流開關橋臂的兩個開關節點之間，其第二繞組和另一個電容串聯后跨接在全橋電路的兩條橋臂的兩個開關節點之間；在操作過程中兩條交流開關橋臂的上端電子開關同時導通和截止，兩條交流開關橋臂的下端電子開關也同時導通和截止，上端電子開關和下端電子開關以接近50％的最大占空比交替導通和截止，最大占空比等于50％減去死區時間，全橋電路中處于對角位置的電子開關同時導通和截止，兩組對角電子開關以接近50％的最大占空比交替導通和截止而且和相對應的交流開關橋臂的開關操作同步進行，電路的操作通過開關頻率的變化來調節電路的電壓增益，在交流到直流和直流到交流的雙向轉換過程中調節輸出電壓的同時，使得交流端口的電流跟隨所需要的正弦波形同步變化，而且同時實現軟開關操作。2.根據權利要求1，其特征在于：在交流端口的正弦電壓波形接近過零點時，進一步通過全橋電路的脈寬調制來擴展電壓增益的調節范圍來使得交流端的電流波形更加準確地跟隨所需要的正弦波形的變化，在交流到直流轉換時通過脈寬調制使直流側進入升壓工作模式提高直流側的電壓增益，在直流到交流轉換時通過脈寬調制降低直流側的電壓增益。3.根據權利要求1或者權利要求2，其特征在于：在第一交流端口電壓為正時，接在第二交流端口的橋臂的兩個電子開關處于連續全導通狀態，第一交流端口的橋臂的兩個電子開關以接近50％的最大占空比交替導通和截止；在第二交流端口電壓為正時，接在第一交流端口的橋臂的兩個電子開關處于連續全導通狀態，第二交流端口的橋臂的兩個電子開關以接近50％的最大占空比交替導通和截止。4.根據權利要求1，權利要求2，或者權利要求3，其特征在于：移去交流端口的電容和與變壓器第一繞組串聯的電容，用一條由兩個電容串聯組成的橋臂和由兩個雙向電子開關串聯所組成的橋臂來代替兩條交流開關橋臂，雙向電子開關橋臂和電容橋臂并聯連接，并聯連接后的兩個端口分別和兩個交流端口相連接，變壓器的第一繞組的兩個端口分別連接到電容橋臂的中間節點和雙向電子開關橋臂的中間節點，在操作過程中兩個雙向電子開關的開關狀態分別和權利要求1中的交流開關橋臂的兩個上端電子開關和兩個下端電子開關的開關狀態相對應。5.根據權利要求1，權利要求2，權利要求3，或者權利要求4，其特征在于：把雙向交...

【專利技術屬性】
技術研發人員：范劍平，
申請(專利權)人：蘇州奧曦特電子科技有限公司，
類型：發明
國別省市：江蘇,32