双buck/boost双向交流斩波器

摘要

本发明公开了一种双buck/boost双向交流斩波器，包括由一端接地的电容与交流正弦电压电源并联构成的电源电路还包括第一buck/boost电路和第二buck/boost电路，本发明的优点是：整个电路无桥臂直通可能，从根本上解决了电流换向问题；可实现降压或者升压AC/AC变换；可实现能量双向传输，是一种双向交流斩波器；电路损耗小；控制实现简单，也杜绝了环流产生的可能；可进行输出电压平均值或有效值闭环调节。

说明书

一、技术领域

本发明涉及一种交-交变换器，尤其涉及一种双向交流斩波器。

二、背景技术

交交变换作为电力电子技术领域的一个重要组成部分，近年来得到了大量的研究。传统AC/AC直接变换器研究热点主要在矩阵变换器和高频交流环节AC/AC变换器这两大类。矩阵变换器具有输入电流波形好、输入功率因数高、谐波污染小、效率高等优点，但其电路结构很复杂，控制困难，限制了其在实际当中的应用。高频交流环节AC/AC变化器同样存在电路和控制复杂的问题。近几年来，基于DC/DC简单拓扑的AC/AC直接变换得到了重视和研究，其基本思路是实现功率开关的双向化，使得基本DC/DC简单拓扑可以实现AC/AC变化。这类变换器使用的双向开关是通过实际中单向阻断的MOS型器件和二极管组合得到，有多种可选方案，这使得这类变换器中功率器件的数量较多，这也增加了电路的复杂性。在开关换流时必须遵循严格的换流顺序，控制复杂，开关管换流时存在较大电压尖峰。开关管换流问题是AC/AC变换器实现的难点。且传统交流斩波器几乎都只能实现降压变换或者升压变换的一种。

三、发明内容

1、技术问题：本发明要解决的技术问题是解决AC/AC变换器中换流存在的难题，提供一种能同时实现降压变换或者升压变换，实现能量双向传输的双buck/boost双向交流斩波器。

2、技术方案：为了解决上述的技术问题，本发明的双buck/boost双向交流斩波器包括由一端接地的电容与交流正弦电压电源并联构成的电源电路，还包括第一buck/boost电路和第二buck/boost电路，第一buck/boost电路中，第一开关的阳极与电源电路的输出端连接，第一开关的阴极与第二开关的阴极连接并通过第一电感接地；第二buck/boost电路中，第三开关的阴极与电源电路的输出端连接，第三开关的阳极与第四开关的阳极连接并通过和第二电感接地；第一buck/boost电路中第二开关的阳极与第二buck/boost电路中第四开关的阴极连接，外界负载电路的一端接于第二开关的阳极与第四开关的阴极之间。外界负载电路的结构一般为滤波电容和负载并联构成，滤波电容和负载的另一端同时连接到“地”。

第一开关由第一功率二极管的阴极和第一功率开关管的阳极连接构成，第二单向开关由第二功率二极管的阳极和第二功率开关管的阴极连接构成，第三单向开关由第三功率二极管的阳极和第三功率开关管的阴极连接构成，第四单向开关由第四功率二极管的阴极和第四功率开关管的阳极连接构成。

第一单向开关可以由第一功率二极管的阳极和第一功率开关管的阴极连接构成；第二单向开关可以由第二功率二极管的阴极和第二功率开关管的阳极连接构成；第三单向开关可以由第三功率二极管的阴极和第三功率开关管的阳极连接构成；第四单向开关可以由第四功率二极管的阳极和第四功率开关管的阴极连接构成。

本发明采用的双buck/boost双向交流斩波器包含两个buck/boost桥臂电路单元，其输入侧接电源电路单元，其输出侧接输出滤波电容和负载电路，通过将两个DCDC基本拓扑(buck/boost电路)进行并联得到，可以归类到基于简单拓扑的AC/AC变换器，但其着眼点并非像基于简单拓扑的AC/AC变换器那样是通过开关双向化而实现，其基本思想是应用半周控制策略，通过两个buck/boost电路分别半周期工作得到一半的输出电压，从而实现AC/AC直接变换的目的。由于其电路的内在特点，无桥臂直通的可能，各开关管驱动无需设置死区，可以同时开通，从根本上解决了开关管换流问题。并且可以实现部分开关管的零电流开通。由于采用buck/boost电路构建主电路拓扑，变换器即可以实现降压变换，也可以实现升压变换。将本电路的输入端和输出端互换，即在原来的输出端外加电压，把原来的电源电路端作为输出，斩波器同样能正常工作，因此本变换器是一种双向变换器。

3、有益效果：本发明的优点是：(1)整个电路无桥臂直通可能，无需控制死区，电感电流自然续流，从根本上解决了电流换向问题；(2)可实现降压或者升压AC/AC变换；(3)可实现能量双向传输，是一种双向交流斩波器；(4)在AC/AC电路中属于使用器件较少的，电路损耗小；(5)电路工作于半周期模式，控制实现简单，也杜绝了环流产生的可能；(6)可进行输出电压平均值或有效值闭环调节。

四、附图说明]

图1是本发明的双buck/boost双向交流斩波器电路结构示意图；

图2是本发明的双buck/boost双向交流斩波器各开关模态示意图；

图3是本发明的双buck/boost双向交流斩波器的主要波形示意图；

图4是本发明的双buck/boost双向交流斩波器采用的控制框图。

图1中的标号名称：1.电源电路；2.第一buck/boost电路；3.输出滤波电路及负载；4.第二buck/boost电路；

上述附图中的主要符号名称：C₁～C₂——滤波电容。D₁～D₄——功率二极管。d1～d4——功率开关管Q₁～Q₄的驱动波形。ir——电压环输出。il1——滤波电感L₁电流波形。il2——滤波电感L₂电流波形。L₁～L₂——储能电感。Q₁～Q₄——功率开关管。R——负载阻抗。S₁～S₄——单向开关。u_i——斩波器输入电压。u_o——斩波器输出电压。

五、具体实施方式

如图1所示，本实施例的双buck/boost双向交流斩波器包括由一端接地的电容C₁与交流正弦电压电源并联构成的电源电路1，还包括第一buck/boost电路2和第二buck/boost电路4，第一buck/boost电路2中，第一开关S₁的阳极与电源电路1的输出端连接，第一开关S₁的阴极与第二开关S₂的阴极连接并通过第一电感L₁接地；第二buck/boost电路4中，第三开关S₃的阴极与电源电路1的输出端连接，第三开关S₃的阳极与第四开关S₄的阳极连接并通过和第二电感L₂接地；第一buck/boost电路2中第二开关S₂的阳极与第二buck/boost电路4中第四开关S₄的阴极连接，外界负载电路3的一端接于第二开关S₂的阳极与第四开关S₄的阴极之间。外界负载电路3的一端接于第二开关S₂的阳极与第四开关S₄的阴极之间，外界负载电路3由滤波电容C₂和负载R并联构成，滤波电容C₂和负载R的另一端同时连接到“地”。

第一开关S₁由第一功率二极管D₁的阴极和第一功率开关管Q₁的阳极连接构成，第二单向开关S₂由第二功率二极管D₂的阳极和第二功率开关管Q₂的阴极连接构成，第三单向开关S₃由第三功率二极管D₃的阳极和第三功率开关管Q₃的阴极连接构成，第四单向开关S₄由第四功率二极管D₄的阴极和第四功率开关管Q₄的阳极连接构成。第一单向开关S₁也可以由第一功率二极管D₁的阳极和第一功率开关管Q₁的阴极连接构成；第二单向开关S₂也可以由第二功率二极管D₂的阴极和第二功率开关管Q₂的阳极连接构成；第三单向开关S₃也可以由第三功率二极管D₃的阴极和第三功率开关管Q₃的阳极连接构成；第四单向开关S₄也可以由第四功率二极管D₄的阳极和第四功率开关管Q₄的阴极连接构成。

在本实施例的斩波器输出负极性电流的半周期时，调理工作的第一buck/boost电路2中，第一开关S₁的阴极和第二开关S₂的阴极连接并与第一电感L₁的一端连接，第一开关S₁的阳极接电源u_i的输出端，第一滤波电感L₁的另一端接“地”。在斩波器输出正极性电流的半周期时，调理工作的第二buck/boost电路4中，第三开关S₃的阳极与第四开关S₄的阳极连接并与第二电感L₂的一端连接，第三开关S₃的阴极接电源u_i的输出端，第二滤波电感L₂的另一端接“地”。

如图2所示，为双buck/boost双向交流斩波器的具体工作原理和工作模态：

在输出电流(包括滤波电容C₂电流)小于零的负半周，第一buck/boost电路(2)工作，第二buck/boost电路(4)不工作，第三开关S₃常闭，第四开关S₄常闭。此时电路包括两个工作模态：

1.工作模态I

如附图2(a)所示，第一开关S₁开通，电感L₁的电流i_L1线性上升，第二开关S₂截止。

2.工作模态II

如附图2(b)所示，第一开关S₁关断，第一开关S₂导通，i_L1从第二开关S₂续流，线性下降。

在输出电流大于零的正半周，第二buck/boost电路(4)工作，第一buck/boost电路(2)不工作，第三开关S₃常闭，第四开关S4常闭。此时电路包括两个工作模态：

3.工作模态III

如附图2(c)所示，第三开关S₃开通，电感L₂的电流i_L2线性上升，第四开关S₄截止。

4.工作模态IV

如附图2(d)所示，第三开关S₃关断，第四开关S₄导通，i_L2从第四开关S₄续流，线性下降。

电路关键波形如附图3所示。在输出电流过零处，即两个buck电路工作切换的位置，由于存在电感电流来回过零切换的区域，特别是负载电流很小时例如空载时，存在两个buck电路交替调理工作的区段，以维持输出电压波形。

为实现以上工作原理，双buck/boost双向交流斩波器采用如图4所示的控制方案：采样输出电压进行整流滤波得到输出电压平均值U_av，与电压基准U_r经PI运算得到电压环输出i_r，电压环输出ir与三角波交接后得到PWM调制信号；采样输出电流进行逻辑判断，对PWM调制信号进行逻辑分相，使得输出电流小于零时S₁、S₂调理工作，S₃、S₄关断，输出电流大于零时S₃、S₄调理工作，S₁、S₂关断，以上控制策略很好的实现了电路的半周期工作模式和对输出电压的平均值闭环调节。