CN213461552U - 一种ac-ac混合升压开关电容变换器 - Google Patents

Abstract

一种AC‑AC混合升压开关电容变换器，包括由开关S₁、S₂、S₃、S₄依次串联形成的第一桥臂和由输出电容C₂、C₃串联构成的第二桥臂，第一桥臂与第二桥臂并联；开关S₁、S₂两端并联输出电容C₃，开关S₂、S₃两端并联开关电容C₁，开关S₃、S₄两端并联输出电容C₂；开关S₁两端作为所述变换器的输入端，开关S₁与输入端间设有输入电感L；第二桥臂两端作为所述变换器的输出端。与现有采用晶闸管或三端双向晶闸管来调节电压与频率的AC‑AC变换器相比，该变换器拓扑集成了感应开关单元和开关电容梯形单元，可使输出电压跟随输入电压的形状以保持主频，并以高输出电压增益执行直接能量转换。

Description

一种AC-AC混合升压开关电容变换器

技术领域

本实用新型属于电力电子技术领域，涉及一种AC-AC混合升压开关电容变换器。

背景技术

自耦变压器作为调节电力电子设备和电网之间电压水平的装置，已经在住宅区和工业系统中应用了几十年，但由于其在电路上没有实现隔离，因此无法滤除谐波，不能较好的维持能源质量，安全性能不高。为了解决这些问题，传统的自耦变压器已被功率变换器所取代，它能够调节输出电压/电流，矫正功率因数，减少谐波影响。

最早开发的AC-AC变换器采用晶闸管或三端双向晶闸管来调节电压和频率，并以较低的开关频率工作。该种类变换器虽然已在工业上得到了应用，但也存在一些局限性，比如电压增益低，输入电流THD大，输出频率低于输入频率等。

发明内容

本实用新型的目的在于克服上述现有技术的不足，提出一种用于AC-AC转换的混合升压开关电容变换器（HBSCC）。

为达到上述目的，本实用新型采用以下技术方案予以实现：

一种用于AC-AC转换的混合升压开关电容变换器，包括一个输入电感L、一个开关电容C₁、两个输出电容C₂和C₃以及四个开关S₁-S₄。其中，开关S₁-S₄均由两个反向串联的MOSFET管构成。

进一步的，一种AC-AC混合升压开关电容变换器，包括由开关S₁、S₂、S₃、S₄依次串联形成的第一桥臂和由输出电容C₂、C₃串联构成的第二桥臂，第一桥臂与第二桥臂并联；开关S₁、S₂两端并联输出电容C₃，开关S₂、S₃两端并联开关电容C₁，开关S₃、S₄两端并联输出电容C₂；开关S₁两端作为所述变换器的输入端，开关S₁与输入端间设有输入电感L；第二桥臂两端作为所述变换器的输出端。

所提出的变换器结合了升压变换器和开关电容器单元，具有一个输入电压源V_S，与输入电感L串联并连接至开关S₁、S₂之间；开关电容C₁跨接在输入电感L和开关S₃、S₄之间；四个开关S₁、S₂、S₃、S₄两两串联后分别与输出电容C₂和C₃并联构成两组桥臂，将输出电容C₂、C₃两端作为输出端连接负载电阻Z₀，构成该混合升压开关电容变换器HBSCC。

在该变换器中，开关S₁与S₃、S₂与S₄互为一组，在一个开关周期内交替导通和关断，且认为开关频率f_s远高于电源频率f_g。

采用上述技术方案带来的有益效果：

本实用新型公开了一种用于AC-AC转换的混合升压开关电容变换器，传统直接AC-AC变换器通常存在换相问题，因为在死区时间内没有输入电流的有效路径，从而导致半导体之间存在过电压。所提出的变换器通过每个开关的一个MOSFET在输出电压半周期期间导通被进行调制，在该周期内，它作为同步DC-DC拓扑运行。

与现有采用晶闸管或三端双向晶闸管来调节电压与频率的AC-AC变换器相比，该变换器拓扑集成了一个基本的感应开关单元和一个开关电容梯形单元，可使输出电压跟随输入电压的形状以保持主频，并以一个高输出电压增益执行直接能量转换。

附图说明

图1为本实用新型的电路拓扑图；

其中：V_S为输入电压源；L为输入电感；S₁、S₂、S₃、S₄分别为四个开关，每一个开关都由两个MOSFET管反向串联构成；C₁、C₂、C₃为电容，其中C₁为开关电容，C₂、C₃为输出电容；Z₀为负载电阻。

图2为本实用新型的一种开关实现，由两个MOSFET反向串联构成；

图3为本实用新型在开关的两个操作阶段下的工作电路图：（a）第一阶段（0＜t＜DT_S）；（b）第二阶段（DTs＜t＜T_S）。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面将结合附图，对本实用新型的技术方案进行更清楚、完整地描述。

如图1所示为本实用新型所提出的混合升压开关电容变换器拓扑电路图，该变换器结合了升压变换器和开关电容器单元。包括一个输入电感L、一个开关电容C₁、两个输出电容C₂和C₃以及四个开关S₁-S₄。其中，开关S₁-S₄均由两个反向串联的MOSFET管构成，参见附图2。

所提变换器包括一个输入电压源V_S，及输出端。图1中，输入源V_S已接入第一源输入端，故图中混合升压开关电容变换器具有一个输入源V_S，而未标示出该变换器中的输入端；同理，图中展示的是输出端接入负载Z₀后的示意图。

具体地，参见图1，所述混合升压开关电容变换器的输入电压源V_S，与输入电感L串联并连接至开关S₁、S₂之间；开关电容C₁跨接在输入电感L和开关S₃、S₄之间；四个开关S₁、S₂、S₃、S₄两两串联后分别与输出电容C₂和C₃并联构成两组桥臂，将输出电容C₂、C₃的两端作为输出端连接负载电阻Z₀，构成该混合升压开关电容变换器HBSCC。

在该变换器中，开关S₁与S₃、S₂与S₄互为一组，在一个开关周期内交替导通和关断，且认为开关频率f_s远高于电源频率f_g。当变换器以交流电压和电流工作时，开关必须在所有四个象限中工作。

所提变换器通过每个开关的一个MOSFET在输出电压半周期期间导通被进行调制，在该周期内，它作为同步DC-DC拓扑运行。该变换器拓扑集成了一个基本的感应开关单元和一个开关电容梯形单元，可使输出电压跟随输入电压的形状以保持主频，并以一个高输出电压增益执行直接能量转换。

本实用新型一种AC-AC混合升压开关电容变换器，在开关S₁-S₄的一个周期内两个操作时段下具有两种工作模式。以下结合附图3，分别在第一阶段（0＜t＜DT_S），第二阶段（DT_S＜t＜T_S）对本实用新型的工作原理进行进一步说明：

1.第一阶段（0＜t＜DT_S）

开关S₁、S₃接通，S₂、S₄关断；输入电感L储存能量，且电流增大；来自电容C₃的能量被传输到电容C₁中，电容C₂和C₃向负载Z₀提供能量；

2.第二阶段（DT_S＜t＜T_S）

开关S₂、S₄接通，S₁、S₃关断；存储在电感L中的能量被传输至电容C₃中，电容C₁向C₂充电。

所有开关均采用钳位电路，以防止调制变化时输出电压过零出现高电压值。

开关电容器单元具有电压自平衡的特性，因此在没有附加控制的情况下，通过三个电容器C₁、C₂和C₃的电压在每个开关周期内被均衡。

由于输入电流不存在不连续性，因此不需要输入滤波器。

该变换器主要元件及其参数：

输入电感（L）的型号为APH46P60-136µH；开关电容（C₁）采用聚丙烯薄膜电容，与输出电容（C₂、C₃）均为20µF；开关（S₁）型号为SCT308AL-650V/80mΩ，开关（S₂、S₃、S₄）型号为SCT2120AF-650V/120mΩ；电源频率60Hz，开关频率（f_s）100kHz；输入/输出电压（V_S/V₀）为55/220V有效值；占空比D为0.5。

本实用新型提出了一种单相AC-AC混合升压开关电容变换器，该变换器集成了一个基本的感应开关单元和一个开关电容梯形单元，可使输出电压跟随输入电压的形状以保持主频，避免了传统AC-AC变换器输出频率低于输入频率的情况，并以一个高输出电压增益执行直接能量转换。此外，开关和电容器中的电流应力不仅与占空比和输出电流值有关，还与开关的导通电阻、电容和开关频率有关。电容器之间的电压平衡不需要额外的控制电路。该变换器拓扑结构可有效适用于低压器件和需要高电压增益的交流变换应用中。本实用新型公开了该变换器的工作原理及相关参数设计，并在一个开关周期下的两个阶段对电路做以分析，供本技术领域人员更好地理解本实用新型方案。

Claims (4)

1.一种AC-AC混合升压开关电容变换器，其特征在于，包括由开关S₁、S₂、S₃、S₄依次串联形成的第一桥臂和由输出电容C₂、C₃串联构成的第二桥臂，第一桥臂与第二桥臂并联；开关S₁、S₂两端并联输出电容C₃，开关S₂、S₃两端并联开关电容C₁，开关S₃、S₄两端并联输出电容C₂；开关S₁两端作为所述变换器的输入端，开关S₁与输入端间设有输入电感L；第二桥臂两端作为所述变换器的输出端。

2.如权利要求1所述的变换器，其特征在于，开关S₁、S₂、S₃、S₄均由两个反向串联的MOSFET管构成。

3.如权利要求1所述的变换器，其特征在于，开关S₁、S₂、S₃、S₄均采用钳位电路。

4.如权利要求1所述的变换器，其特征在于，输入电感L的型号为APH46P60-136µH；开关电容C₁采用聚丙烯薄膜电容，开关电容C₁及输出电容C₂、C₃均为20µF；开关S₁型号为SCT308AL-650V/80mΩ，开关S₂、S₃、S₄型号为SCT2120AF-650V/120mΩ。

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