本發(fā)明涉及電力電子調(diào)壓技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種包括開關(guān)管保護(hù)電路的反相位輸出的一種單相x型互錯(cuò)式三電平交流調(diào)壓電路。

背景技術(shù)：

交流調(diào)壓電路是將交流輸入電壓通過(guò)變換電路轉(zhuǎn)換為一定范圍內(nèi)電壓可調(diào)的交流電的電路。隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，各行各業(yè)對(duì)電氣設(shè)備性能要求的提高，對(duì)電壓的性能要求越來(lái)越高。許多行業(yè)的用電設(shè)備不是直接使用電網(wǎng)提供的交流電作為電源，而是通過(guò)各種調(diào)壓電路對(duì)電網(wǎng)交流電進(jìn)行變換，從而得到各自需要的電能形式。

cn101039078a公開了一種非隔離式的直接調(diào)壓電路。cn102185481b和cn102882389a講述的是從交流到直流變換的一種電路結(jié)構(gòu)，只能應(yīng)用于led照明電路中。迄今為止，國(guó)內(nèi)外電力電子研究人員對(duì)于調(diào)壓電路的研究，主要集中在ac-dc-ac的間接變換和dc-dc變換形式，對(duì)ac-ac調(diào)壓的研究多集中于同相位變換的電路結(jié)構(gòu)；對(duì)多電平調(diào)壓變換電路的研究也較兩電平調(diào)壓電路少，而且多電平電路的研究主要集中在多電平逆變器中，對(duì)于多電平ac-ac直接變換調(diào)壓電路的研究也比較有限。所研究的調(diào)壓電路大多存在電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、輸出電壓波形質(zhì)量不高、調(diào)壓過(guò)程慢等缺陷。

在實(shí)現(xiàn)本發(fā)明時(shí)，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)對(duì)于該電路中的雙管雙向開關(guān)管，在不加緩沖電路的情況下即可實(shí)現(xiàn)軟關(guān)斷，但單管雙向開關(guān)管卻存在大量峰值很高的尖峰電壓，而且現(xiàn)有的rcd等開關(guān)管緩沖電路在單管雙向開關(guān)管的開斷過(guò)程中仍出現(xiàn)不少尖峰電壓，不能很好地實(shí)現(xiàn)軟開斷，這無(wú)疑會(huì)增加開關(guān)損耗，降低電路的調(diào)壓效率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是：提供一種單相x型互錯(cuò)式三電平交流調(diào)壓電路，該電路可以實(shí)現(xiàn)ac/ac斬波直接反相位變換，以直流變換電路結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，利用x型互錯(cuò)式開關(guān)管的結(jié)構(gòu)輸出三電平，使調(diào)壓電路具有三電平調(diào)壓變換電路的優(yōu)勢(shì)，具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、單級(jí)變換、輸出電壓諧波少、電壓應(yīng)力小、且輸出電壓調(diào)節(jié)快的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，電路中的開關(guān)管保護(hù)部分可以實(shí)現(xiàn)單管雙向開關(guān)管的軟關(guān)斷，減小開關(guān)損耗。

本發(fā)明解決該技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：一種單相x型互錯(cuò)式三電平交流調(diào)壓電路，包括主電路部分和開關(guān)管保護(hù)部分，其中主電路部分包括電源ui、電感l(wèi)i、電感l(wèi)o、電容c1、電容c2、電容c、igbt開關(guān)管s1、igbt開關(guān)管s2、igbt開關(guān)管s3、igbt開關(guān)管s4、igbt開關(guān)管s5、igbt開關(guān)管s6、二極管d1～d4、二極管d01～d08、電阻r。開關(guān)管保護(hù)部分包括lr1(lr2)、電容cr1(cr2)、電容cs1(cs2)。igbt開關(guān)管s1、igbt開關(guān)管s2、d1、d2構(gòu)成雙管雙向開關(guān)管；igbt開關(guān)管s3、igbt開關(guān)管s4、d3、d4構(gòu)成另一個(gè)雙管雙向開關(guān)管；igbt開關(guān)管s5、d01～d04構(gòu)成單管雙向開關(guān)管；igbt開關(guān)管s6、d05～d08構(gòu)成另一個(gè)單管雙向開關(guān)管。上述器件的連接方式為：電源ui的一端與li的一端連接，li的另一端與c1、cs1、lr1的一端連接，同時(shí)與s1的漏極、d1的陰極連接，s1的源極與s2的源極、d2的陽(yáng)極連接，s2的漏極與d2的陰極連接，同時(shí)與ui的另一端、cs2、lr2、c2的一端連接，lr1的另一端接d01的陽(yáng)極、d03的陰極，d01的陰極與d02的陰極、s5的漏極、cr1的一端連接，s5的源極與d03的陽(yáng)極、d04的陽(yáng)極、cr1的另一端連接，lr2的另一端接d05的陽(yáng)極、d07的陰極，d05的陰極與d06的陰極、s6的漏極、cr2的一端連接，s6的源極與d07的陽(yáng)極、d08的陽(yáng)極、cr2的另一端連接，c1的另一端與d06的陽(yáng)極、d08的陰極、cs2的另一端連接，同時(shí)與s3的漏極連接、lo的一端連接，c2的另一端與d02的陽(yáng)極、d04的陰極、cs2的另一端連接，同時(shí)與s4的漏極連接，s3的漏極與d3的陰極連接，s3的源極與d3的陽(yáng)極、s4的源極連接，s4的源極與d4的陽(yáng)極連接，s4的漏極與d4的陰極連接，lo的另一端與c、r的一端連接，c、r的另一端都與s4的漏極連接。

上述一種單相x型互錯(cuò)式三電平交流調(diào)壓電路，其主電路調(diào)壓變換的工作原理為：根據(jù)單相三電平ac-ac變換電路輸入電壓ui的極性劃分，調(diào)壓變換電路分為(i)、(ii)兩個(gè)模態(tài)，每個(gè)模態(tài)下又分為四個(gè)開關(guān)模式。

其中(i)模態(tài)為當(dāng)ui＞0時(shí)，開關(guān)管s2、s4處于半周期截止?fàn)顟B(tài)，四個(gè)開關(guān)模式為：

開關(guān)模式1：s5導(dǎo)通，其余關(guān)斷。電源ui通過(guò)ui、li、d01、s5、d04、c2構(gòu)成的回路為電容c2充電，電容c2右端為正，同時(shí)為電感l(wèi)i儲(chǔ)能，而電容c1通過(guò)c1、d01、s5、d04、r、lo構(gòu)成的回路為電感l(wèi)o和負(fù)載r供電。此時(shí)ab兩端輸出的電平為-uc，其中uc為c1兩端的電壓；

開關(guān)模式2：s1導(dǎo)通，其余關(guān)斷。電源ui通過(guò)ui、li、s1、d2構(gòu)成的回路為電感l(wèi)i儲(chǔ)能，而電容c1、c2通過(guò)c1、s1、d2、c2、r、lo構(gòu)成的回路為電感l(wèi)o和負(fù)載r供電。此時(shí)ab兩端輸出的電平為-2uc，其中2uc為c1、c2兩端的電壓；

開關(guān)模式3：s6導(dǎo)通，其余關(guān)斷。電源ui、電感l(wèi)i通過(guò)ui、li、c1、d06、s6、d07構(gòu)成的回路為電容c1充電，電容c1左端為正，而電容c2通過(guò)r、lo、d06、s6、d07構(gòu)成的回路為電感l(wèi)o和負(fù)載r供電。此時(shí)ab兩端輸出的電平為-uc，其中uc為c2兩端的電壓；

開關(guān)模式4：s3導(dǎo)通，其余關(guān)斷。電源ui、電感l(wèi)i通過(guò)ui、li、c1、s3、d4、c2構(gòu)成的回路為電容c1、c2充電，而電感l(wèi)o通過(guò)lo、s3、d4、r構(gòu)成的回路為負(fù)載r續(xù)流。此時(shí)ab兩端輸出的電平為零。

(ii)模態(tài)為當(dāng)ui＜0時(shí)，開關(guān)管s1、s3處于半周期截止?fàn)顟B(tài)，四個(gè)開關(guān)模式為：

開關(guān)模式1：s6導(dǎo)通，其余關(guān)斷。電源ui通過(guò)ui、d05、s6、d08、c1、li構(gòu)成的回路為電容c1充電，電容c1右端為正，同時(shí)為電感l(wèi)i儲(chǔ)能，而電容c2通過(guò)c2、d05、s6、d08、lo、r構(gòu)成的回路為電感l(wèi)o和負(fù)載r供電。此時(shí)ab兩端輸出的電平為uc，其中uc為c2兩端的電壓；

開關(guān)模式2：s2導(dǎo)通，其余關(guān)斷。電源ui通過(guò)ui、s2、d1、li構(gòu)成的回路為電感l(wèi)i儲(chǔ)能，而電容c1、c2通過(guò)c1、lo、r、c2、s2、d1構(gòu)成的回路為電感l(wèi)o和負(fù)載r供電。此時(shí)ab兩端輸出的電平為2uc，其中2uc為c1、c2兩端的電壓；

開關(guān)模式3：s5導(dǎo)通，其余關(guān)斷。電源ui、電感l(wèi)i通過(guò)ui、c2、d02、s5、d03、li構(gòu)成的回路為電容c2充電，電容c2左端為正，而電容c1通過(guò)c1、lo、r、d02、s5、d03構(gòu)成的回路為電感l(wèi)o和負(fù)載r供電。此時(shí)ab兩端輸出的電平為uc，其中uc為c1兩端的電壓；

開關(guān)模式4：s4導(dǎo)通，其余關(guān)斷。電源ui、電感l(wèi)i通過(guò)ui、c2、s4、d3、c1、li構(gòu)成的回路為電容c1、c2充電，而電感l(wèi)o通過(guò)lo、r、s4、d3構(gòu)成的回路為負(fù)載r續(xù)流。此時(shí)ab兩端輸出的電平為零。

上述一種單相x型互錯(cuò)式三電平交流調(diào)壓電路，輸出電壓與輸入電壓實(shí)現(xiàn)了反相位變換。

上述一種單相x型互錯(cuò)式三電平交流調(diào)壓電路，只要調(diào)節(jié)好ab輸出端的0、uc、2uc三個(gè)電平導(dǎo)通時(shí)間，就可以自如實(shí)現(xiàn)輸入與輸出電壓的升降壓功能，而且ab端的電壓輸出為三電平形式，屬多電平變換技術(shù)，較兩電平電路擁有輸出電壓正弦度高、電壓應(yīng)力小、電壓諧波少、畸變率低的優(yōu)勢(shì)。

上述一種單相x型互錯(cuò)式三電平交流調(diào)壓電路，在實(shí)際應(yīng)用中為了避免開關(guān)管被擊穿，所用開關(guān)管保護(hù)電路即clc緩沖電路是一種新型的拓?fù)潆娐?，由電感l(wèi)r、電容cr、cs組成，clc與單管雙向開關(guān)管的續(xù)流二極管相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)變換電路中單管雙向開關(guān)管的軟關(guān)斷，具有減小尖峰電壓和電壓應(yīng)力，減緩開關(guān)管電壓迅速上升的特點(diǎn)。

上述一種單相x型互錯(cuò)式三電平交流調(diào)壓電路，所用開關(guān)管保護(hù)電路即clc緩沖電路，主要用于保護(hù)主電路中的單管雙向開關(guān)管，對(duì)于其他buck、boost、buck-boost等交流直接變換電路中應(yīng)用到單管雙向開關(guān)管的電路同樣適用。

上述一種單相x型互錯(cuò)式三電平交流調(diào)壓電路，所用clc緩沖電路的工作原理為：可以分為開關(guān)管s5和開關(guān)管s6的過(guò)程分析，其中又分為開關(guān)管的開通過(guò)程與關(guān)斷過(guò)程分析，開關(guān)管s5的過(guò)程分析如下：1)開關(guān)管s5開通時(shí)，因電路中因緩沖電感l(wèi)r和二極管d01開啟效應(yīng)的作用，開關(guān)管s5實(shí)現(xiàn)零電流導(dǎo)通。s5導(dǎo)通后，電容cr兩端電壓vcr先發(fā)生下降變化，vcr＜vcs，此時(shí)電源和cs共同為lr儲(chǔ)能，電感電流ilr逐漸上升，因電容cs的存在，ilr大于電路中電流，之后vcr與vcs不斷下降，電感與開關(guān)管中的電流逐漸恢復(fù)到電路電流，最后，vcr＝vcs＝0，ilr＝isi＝il，開通過(guò)程結(jié)束。變換器進(jìn)入正常工作狀態(tài)。2)開關(guān)管s5關(guān)斷，因緩沖電容cr電壓不突變的特性，電容兩端電壓vcr仍為0，開關(guān)管實(shí)現(xiàn)了零電壓關(guān)斷。開關(guān)管s5中的電流is1迅速下降，但電感電流ilr不會(huì)迅速下降，此時(shí)ilr通過(guò)d01、cr、d03形成回路，vcr與vcs同步上升。當(dāng)開關(guān)管s5完全截止，cr在電源和緩沖電感放電的作用下電壓還在升高，直到上升至uc。最后，vcr＝vcs＝uc，ilr＝is1＝0，關(guān)斷過(guò)程結(jié)束。變換器進(jìn)入正常工作狀態(tài)。開關(guān)管s6的開通與關(guān)斷過(guò)程與s5類似。

上述一種單相x型互錯(cuò)式三電平交流調(diào)壓電路，其中所涉及的零部件均是本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員所熟知并可以商購(gòu)獲得的，所涉及的零部件連接和安裝方法是本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員所能掌握的。

本發(fā)明的顯著進(jìn)步是，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明突出的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著進(jìn)步如下：

1)本發(fā)明一種單相x型互錯(cuò)式三電平交流調(diào)壓電路，為一種新型的三電平ac-ac調(diào)壓電路，可以實(shí)現(xiàn)輸入與輸出電壓的反相位變換。

2)本發(fā)明一種單相x型互錯(cuò)式三電平交流調(diào)壓電路，具有拓?fù)浜?jiǎn)單、電壓應(yīng)力小、單級(jí)變換等優(yōu)點(diǎn)，它不僅實(shí)現(xiàn)了三電平的轉(zhuǎn)換和輸出電壓的寬范圍調(diào)節(jié)，提高了電路的功率密度和效率，還減少了電壓波形的畸變率和igbt開關(guān)管的導(dǎo)通損耗。

3)本發(fā)明一種單相x型互錯(cuò)式三電平交流調(diào)壓電路，在調(diào)壓變換電路的模式切換中，每次僅有兩個(gè)開關(guān)管之間進(jìn)行變換，相對(duì)于其他多電平交流調(diào)壓電路的導(dǎo)通模式之間的切換較為簡(jiǎn)單，在每個(gè)模式下僅有一個(gè)開關(guān)管處于導(dǎo)通狀態(tài)，減小了損耗，提高了變換效率，且在輸入電壓正負(fù)周期中，兩對(duì)結(jié)構(gòu)對(duì)稱且導(dǎo)通時(shí)間對(duì)稱的開關(guān)管，這對(duì)于調(diào)壓變換電路的控制驅(qū)動(dòng)電路提供了便利條件。

4)本發(fā)明一種單相x型互錯(cuò)式三電平交流調(diào)壓電路，應(yīng)用一種新型的開關(guān)管保護(hù)電路clc緩沖電路，降低了igbt開關(guān)管因過(guò)電壓而擊穿的風(fēng)險(xiǎn)。在主電路工作過(guò)程中每個(gè)工作模態(tài)無(wú)需設(shè)置死區(qū)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了igbt開關(guān)管的軟關(guān)斷。

附圖說(shuō)明

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。

圖1是本發(fā)明一種單相x型互錯(cuò)式三電平交流調(diào)壓電路的總電路拓?fù)鋱D。

圖2是本發(fā)明一種單相x型互錯(cuò)式三電平交流調(diào)壓電路的主電路工作過(guò)程原理圖。

圖3是本發(fā)明一種單相x型互錯(cuò)式三電平交流調(diào)壓電路的開關(guān)管保護(hù)電路拓?fù)鋱D。

具體實(shí)施方式

圖1所示實(shí)施例表明，本發(fā)明一種單相x型互錯(cuò)式三電平交流調(diào)壓電路的總電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括交流電源ui，七個(gè)電容c1、c2、c、cr1、cr2、cs1、cs2、，四個(gè)電感l(wèi)i、lo、lr1、lr2，六個(gè)igbt開關(guān)管s1、s2、s3、s4、s5、s6，十二個(gè)快恢復(fù)二極管d1～d4、d01～d08，一個(gè)電阻r。其中s1、s2、d1、d2組成雙管雙向開關(guān)管，s3、s4、d3、d4組成另一個(gè)雙管雙向開關(guān)管，s5、d01～d04構(gòu)成單管雙向開關(guān)管，s6、d05～d08構(gòu)成另一個(gè)單管雙向開關(guān)管。上述器件的連接方式為：輸入電源ui的一端與li的一端連接，li的另一端與c1、cs1、lr1的一端連接，同時(shí)與s1的漏極、d1的陰極連接，s1的源極與s2的源極、d2的陽(yáng)極連接，s2的漏極與d2的陰極連接，同時(shí)與ui的另一端、cs2、lr2、c2的一端連接，lr1的另一端與d01的陽(yáng)極、d03的陰極連接，d01的陰極與d02的陰極、s5的漏極、cr1的一端連接，s5的源極與d03的陽(yáng)極、d04的陽(yáng)極、cr1的另一端連接，lr2的另一端與d05的陽(yáng)極、d07的陰極連接，d05的陰極與d06的陰極、s6的漏極、cr2的一端連接，s6的源極與d07的陽(yáng)極、d08的陽(yáng)極、cr2的另一端連接，c1的另一端與d06的陽(yáng)極、d08的陰極、cs2的另一端連接，同時(shí)與s3的漏極連接、lo的一端連接，c2的另一端與d02的陽(yáng)極、d04的陰極、cs2的另一端連接，同時(shí)與s4的漏極連接，s3的漏極與d3的陰極連接，s3的源極與d3的陽(yáng)極、s4的源極連接，s4的源極與d4的陽(yáng)極連接，s4的漏極與d4的陰極連接，lo的另一端與c、r的一端連接，c、r的另一端都與s4的漏極連接。該圖實(shí)例表明，此三電平電路的電路結(jié)構(gòu)滿足cuk型電路基本結(jié)構(gòu)，兩個(gè)單管雙向開關(guān)管x型互錯(cuò)于c1、c2兩電容間電路中，元器件數(shù)量較少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且存在對(duì)稱結(jié)構(gòu)，在輸入電源的正負(fù)半周期可實(shí)現(xiàn)對(duì)稱控制，控制方式簡(jiǎn)單。

圖2所示實(shí)施例表明，本發(fā)明一種單相x型互錯(cuò)式三電平交流調(diào)壓電路的主電路調(diào)壓變換工作過(guò)程原理圖，其中圖(i)為模態(tài)(i)時(shí)的四個(gè)開關(guān)模式圖，此模態(tài)下電容c1左端為正，電容c2右端為正。圖(a)為開關(guān)模式1：s5導(dǎo)通，其余關(guān)斷。電源ui、li、d01、s5、d04、c2構(gòu)成的回路，電容c1、d01、s5、d04、r、lo構(gòu)成的回路。圖(b)為開關(guān)模式2：s1導(dǎo)通，其余關(guān)斷。電源ui、li、s1、d2構(gòu)成的回路，電容c1、s1、d2、c2、r、lo構(gòu)成的回路。圖(c)為開關(guān)模式3：s6導(dǎo)通，其余關(guān)斷。電源ui、li、c1、d06、s6、d07構(gòu)成的回路，電容c2、r、lo、d06、s6、d07構(gòu)成的回路。圖(d)為開關(guān)模式4：s3導(dǎo)通，其余關(guān)斷。電源ui、li、c1、s3、d4、c2構(gòu)成的回路，電感l(wèi)o、s3、d4、r構(gòu)成的回路。圖(ii)為模態(tài)(ii)時(shí)的四個(gè)開關(guān)模式，此模態(tài)下電容c1右端為正，電容c2左端為正。圖(e)為開關(guān)模式1：s6導(dǎo)通，其余關(guān)斷。電源ui、d05、s6、d08、c1、li構(gòu)成的回路，電容c2、d05、s6、d08、lo、r構(gòu)成的回路。圖(f)為開關(guān)模式2：s2導(dǎo)通，其余關(guān)斷。電源ui、s2、d1、li構(gòu)成的回路，電容c1、c2通過(guò)c1、lo、r、c2、s2、d1構(gòu)成的回路。圖(g)為開關(guān)模式3：s5導(dǎo)通，其余關(guān)斷。電源ui、c2、d02、s5、d03、li構(gòu)成的回路，電容c1、lo、r、d02、s5、d03構(gòu)成的回路。圖(h)為開關(guān)模式4：s4導(dǎo)通，其余關(guān)斷。電源ui、c2、s4、d3、c1、li構(gòu)成的回路，電感l(wèi)o、r、s4、d3構(gòu)成的回路。

圖3所示實(shí)施例表明，本發(fā)明一種單相x型互錯(cuò)式三電平交流調(diào)壓電路的開關(guān)管s5、s6的clc緩沖保護(hù)電路，包含一個(gè)電感l(wèi)r、兩個(gè)電容cs、cr。電路中的電容cs一端與電感l(wèi)r一端連接，電感l(wèi)r另一端與d01(d05)的陽(yáng)極、d03(d07)的陰極連接，d01(d05)的陰極接開關(guān)管s5(s6)的漏極、d02(d06)的陰極、電容cr的一端，s5(s6)的源極接d03(d07)的陽(yáng)極、d04(d08)的陽(yáng)極、電容cr的另一端，d04(d08)的陰極接d02(d06)的陽(yáng)極、電容cs的另一端。clc電路與單管雙向開關(guān)管中的二極管結(jié)合，實(shí)現(xiàn)變換電路中開關(guān)管的零開斷。對(duì)于其他buck、boost、buck-boost等交流直接變換電路中應(yīng)用到單管雙向開關(guān)管的電路同樣適用。