基于Cuk变换器的高频隔离式三电平交-交变换器

摘要

本发明公开了一种基于Cuk变换器的高频隔离式三电平交一交变换器。该变换器将非隔离型Cuk三电平拓扑中的两个耦合电容分别一拆为二，并在中间分别插两个串联的隔离变压器，两变压器原副边的中间连接点分别与左侧两双向功率开关管的中点和右侧两双向功率开关管的中点相连接，电源端和输出端分别加上输入、输出滤波器就构成了可将不稳定的高压交流电变换成稳定或可调的同频正弦交流电的电路拓扑结构。本发明功率变换级数少，功率开关器件少，能实现双向功率流，具有电气隔离特性，输出滤波器前端电压频谱特性好，提高变换效率和功率密度，调压范围宽，可实现升降压调节，并可以减小输出滤波器的体积和重量。

说明书

技术领域

本发明属于电力电子变换技术，特别是一种基于Cuk变换器的高频隔离式三电平交-交变换器。

背景技术

交-交(AC-AC)变换技术是应用功率半导体器件，将某一频率和幅值的交流电能转换成同一或另一频率和幅值的交流电能的一种变流技术，广泛地应用于国防、工矿企业、科研院所、大学实验室和日常生活中。

迄今为止，国内外电力电子研究人员对于交-交变换器的研究，主要集中在非电气隔离式、低频和高频电气隔离式等两电平交-交变换器；对于多电平变换器的研究，主要集中在多电平直-直、直-交和交-直变换器，而对于多电平交-交变换器的研究则非常少，且仅仅局限于非隔离式、低频或中频隔离式交-直-交型多电平交-交变换器、Buck型非隔离式交-交型三电平交-交变换器和Zeta型非隔离式交-交型三电平交-交变换器。交-直-交型多电平交-交变换器、Buck型非隔离式交-交型三电平交-交变换器和Zeta型非隔离式交-交型三电平交-交变换器虽然各具优点，但前者存在电路拓扑复杂、功率变换级数多、输入侧功率因数低、变换效率偏低、功率密度低等缺陷；而后两者存在拓扑形式单一、无电气隔离等缺陷。而目前所研究的隔离型三电平拓扑结构大多数只是减小了开关管的电压应力，变压器副边并没有真正实现三电平，能够实现真正三电平的隔离型桥式三电平拓扑使用了过多的功率管，变压器副边还须要使用周波变换器，存在上下桥臂直通现象。1983年，SLOBODAN CUK在IEEE国际会议中提出的一种新颖的低纹波直-直开关电源变换器(“A New Zero-Ripple Switching DC-to-DCConverter and Integrated Magnetics”)，其结构简单，开关器件少，只有单级功率级数，功率因数高，可实现电气隔离，只是开关管所承受的电压比较高，不能广泛应用与高压大电流场合。

发明内容

为解决大功率电源功率开关管电压应力过大，交-交变换器普遍变换级数多，电路复杂且不具有电气隔离功能的缺点，本发明提供一种基于Cuk变换器的高频隔离式三电平交-交变换器，其具有单级功率变换、双向功率流、输出滤波器前端电压频谱特性好、可升降压变换、降低开关器件的电压应力、有效实现电气隔离等优点。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于Cuk变换器的高频隔离式三电平交-交变换器，包括输入交流电源、输入滤波器、隔离式Cuk三电平交流变换单元、输出滤波器、输出交流负载；所述输入滤波器包括输入滤波电感、输入滤波电容，输入滤波电感与输入滤波电容相连接，二者接头处引出线为输入滤波器的第一输出端，输入滤波电感的另一端接输入交流电源的参考正极，输入滤波电容的另一端接输入交流电源的参考负极，输入交流电源的参考负极接地，输入滤波电容与输入交流电源参考负极相连的端口为输入滤波器的第二输出端；隔离式Cuk三电平交流变换单元包括输入储能电感、第一双向功率开关管、第二双向功率开关管、第三双向功率开关管、第四双向功率开关管、第一耦合电容、第二耦合电容、第三耦合电容、第四耦合电容、第一隔离变压器、第二隔离变压器；输入储能电感的一端接输入滤波器的第一输出端，输入储能电感的另一端接第一双向功率开关管的输入端和第一耦合电容的一端，第一耦合电容的另一端接第一隔离变压器的原边输入端，第一隔离变压器的原边输出端接第一双向功率开关管输出端，且两者接线引出端接第二双向功率开关管的输入端和第二隔离变压器原边输入端，第二隔离变压器原边输出端接第二耦合电容的一端，第二耦合电容的另一端接第二双向功率开关管的输出端，且两者接头引出线接输入滤波器的第二输出端；第一隔离变压器的副边输入端接第三耦合电容的一端，第三耦合电容的另一端接第三双向功率开关管的输入端，且两者接线引出端接输出储能电感一端，输出储能电感的另一端为隔离式Cuk三电平交流变换单元的第一输出端；第三双向功率开关管的输出端接第一隔离变压器的副边输出端，且两者接线引出端接第二隔离变压器副边输入端和第四双向功率开关管输入端；第二隔离变压器副边输出端接第四耦合电容的一端，第四耦合电容的另一端接第四双向功率开关管的输出端，两者接线引出端为隔离式Cuk三电平交流变换单元的第二输出端；输出滤波器包括输出滤波电容，该电容的两端分别接隔离式Cuk三电平交流变换单元的第一输出端和第二输出端；输出滤波电容与输出交流负载相互并联，隔离式Cuk三电平交流变换单元的第一输出端接地。

本发明与现有技术相比，其显著优点：1)可将不稳定的高压交流电变换成稳定或可调的正弦交流电，实现了新型电力电子变压器、多电平在交流斩波器中的应用关键技术基础，在交流稳压和交流连续调压的民用、工业、国防等要求电气隔离的高压大容量交-交变换场合，具有广泛的应用前景。2)具有功率变换级数少，双向功率流，输出滤波器前端电压频谱特性好等优点，因而提高变换效率和功率密度、减小体积和重量，调压范围宽，可实现升降压调节。3)采取第一功率开关管S1a、第三功率开关管S2a在输入交流电源正半周期内交错180°导通，第二功率开关管S1b、第四功率开关管S2b在输入交流电源负半周期内交错180°导通的控制策略，在多电平模态转换时只有一个功率开关管改变状态，开关损耗小，提高了变换器的可靠性。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

附图为本发明的一种基于Cuk变换器的高频隔离式三电平交-交变换器的电路拓扑结构图。

具体实施方式

结合附图，本发明的一种基于Cuk变换器的高频隔离式三电平交-交变换器的电路包括输入交流电源1、输入滤波器2、隔离式Cuk三电平交流变换单元3、输出滤波器4、输出交流负载5；该变换器占空比大于0.5时交替输出两种电平，占空比小于0.5时交替输出另外两种电平，所输出的两个电平经输出滤波器滤波后得到稳定或可调的正弦交流电压Uo；

所述输入滤波器2包括输入滤波电感Li、输入滤波电容Ci，输入滤波电感Li与输入滤波电容Ci相连接，二者接头处引出线为输入滤波器2的第一输出端x，输入滤波电感Li的另一端接输入交流电源1的参考正极，输入滤波电容Ci的另一端接输入交流电源1的参考负极，输入交流电源1的参考负极接地，输入滤波电容Ci与输入交流电源1参考负极相连的端口为输入滤波器2的第二输出端y；

隔离式Cuk三电平交流变换单元3包括输入储能电感L1、第一双向功率开关管S1、第二双向功率开关管S2、第三双向功率开关管S3、第四双向功率开关管S4、第一耦合电容C1、第二耦合电容C2、第三耦合电容C3、第四耦合电容C4、第一隔离变压器T1、第二隔离变压器T2；输入储能电感L1的一端接输入滤波器2的第一输出端x，输入储能电感L1的另一端接第一双向功率开关管S1的输入端a和第一耦合电容C1的一端，第一耦合电容C1的另一端接第一隔离变压器T1的原边输入端i，第一隔离变压器T1的原边输出端j接第一双向功率开关管S1输出端b，且两者接线引出端接第二双向功率开关管S2的输入端c和第二隔离变压器T2原边输入端m，第二隔离变压器T2原边输出端n接第二耦合电容C2的一端，第二耦合电容C2的另一端接第二双向功率开关管S2的输出端d，且两者接头引出线接输入滤波器2的第二输出端y；第一隔离变压器T1的副边输入端k接第三耦合电容C3的一端，第三耦合电容C3的另一端接第三双向功率开关管S3的输入端e，且两者接线引出端接输出储能电感L2一端，输出储能电感L2的另一端为隔离式Cuk三电平交流变换单元3的第一输出端u；第三双向功率开关管S3的输出端f接第一隔离变压器T1的副边输出端s，且两者接线引出端接第二隔离变压器T2副边输入端p和第四双向功率开关管S4输入端g；第二隔离变压器T2副边输出端q接第四耦合电容C4的一端，第四耦合电容C4的另一端接第四双向功率开关管S4的输出端h，两者接线引出端为隔离式Cuk三电平交流变换单元3的第二输出端r；

输出滤波器4包括输出滤波电容Co，该电容的两端分别接隔离式Cuk三电平交流变换单元3的第一输出端u和第二输出端r；输出滤波电容Co与输出交流负载5相互并联，隔离式Cuk三电平交流变换单元3的第一输出端u接地。上述输出滤波器滤除隔离式Cuk三电平交流变换器的输出电压中的高次谐波，从而在输出交流负载侧得到交流电压Uo。

上述第一双向功率开关管S1、第二双向功率开关管S2、第三双向功率开关管S3、第四双向功率开关管S4都具有双向阻断功能，第一双向功率开关管S1包括第一功率开关管S1a、第二功率开关管S1b、第一二极管p1、第二二极管p2；第一功率开关管S1a的源极接第二功率开关管S1b的漏极，第一功率开关管S1a的源极还接第一二极管p1的阳极，第一功率开关管S1a的漏极接第一二级管p1阴极，第二功率开关管S1b的源极接第二二极管p2的阳极，第二功率开关管S1b的漏极接第二二极管p2的阴极，功率开关管S1a的漏极为第一双向功率开关管S1的输入端a，功率开关管S1b的源极为第一双向功率开关管S1的输出端b；

第二双向功率开关管S2包括第三功率开关管S2a、第四功率开关管S2b、第三二极管p3、第四二极管p4，第三功率开关管S2a的源极接第四功率开关管S2b的漏极，第三功率开关管S2a的源极还接第三二极管p3的阳极，第三功率开关管S2a的漏极接第三二极管p3的阴极，第四功率开关管S2b的源极接第四二极管p4阴极，第四功率开关管S2b的漏极接第四二极管p4阳极，第三功率开关管S2a的漏极为第二双向功率开关管S2的输入端c，第四功率开关管S2b的源极为第二双向功率开关管S2的输出端d；

第三双向功率开关管S3包括第五功率开关管S3a、第六功率开关管S3b、第五二极管p5、第六二极管p6，第五功率开关管S3a的源极接第六功率开关管S3b的漏极，第五功率开关管S3a的源极还接第五二极管p5的阳极，第五功率开关管S3a的漏极接第五二极管p5的阴极，第六功率开关管S3b的源极接第六二极管p6阴极，第六功率开关管S3b的漏极接第六二极管p6阳极，第五功率开关管S3a的漏极为第三双向功率开关管S3的输入端e，第六功率开关管S3b的源极为第三双向功率开关管S3的输出端f；

第四双向功率开关管S4包括第七功率开关管S4a、第八功率开关管S4b、第七二极管p7、第八二极管p8，第七功率开关管S4a的源极接第八功率开关管S4b的漏极，第七功率开关管S4a的源极还接第七二极管p7的阳极，第七功率开关管S4a的漏极接第七二极管p7的阴极，第八功率开关管S4b的源极接第八二极管p8阴极，第八功率开关管S4b的漏极接第八二极管p8阳极，第七功率开关管S4a的漏极为第四双向功率开关管S4的输入端g，第八功率开关管S4b的源极为第四双向功率开关管S4的输出端h。

本发明基于Cuk变换器的高频隔离式三电平交-交变换器中第一双向功率开关管S1和第二双向功率开关管S2串联形成输入交流电源给输入储能电感L1充电支路，同时也形成第一耦合电容C1、第二耦合电容C2给第一隔离变压器T1、第二隔离变压器T2原边放电支路，第三双向功率开关管S3和第四双向功率开关管S4串联形成第一隔离变压器T1、第二隔离变压器T2副边给第三耦合电容C3、第四耦合电容C4的充电支路，同时也形成了输出储能电感L2给输出交流负载续流支路，且上述支路都能实现交流正负半周变换。第一功率开关管S1a和第三功率开关管S2a在输入交流电源正半周期互错180°交替开通关断，第二功率开关管S1b和第四功率开关管S2b在输入交流电源负半周期互错180°交替开通关断。

当功率开关管的占空比D小于0.5时，基于Cuk变换器的高频隔离式三电平交-交变换器在输入电源正半周期内一个开关周期的工作过程如下：

1)第一电平的产生，第一功率开关管S1a闭合、第二功率开关管S1b闭合，第三功率开关管S2a断开、第四功率开关管S2b闭合，第五功率开关管S3a断开、第六功率开关管S3b闭合，第七功率开关管S4a闭合、第八功率开关管S4b闭合，此时有回路：输入交流电源Ui-输入滤波电感Li-输入储能电感L1-第一双向功率开关管S1-第二隔离变压器T2原边-第二耦合电容C2，第二隔离变压器T2副边感应的能量通过第四双向功率开关管S4对第四耦合电容C4形成充电回路；第一耦合电容C1通过第一双向功率开关管S1与第一隔离变压器T1原边形成放电回路，第一隔离变压器T1副边感应的能量通过回路：第一隔离变压器T1副边-第三耦合电容C3-输出储能电感L2-输出交流负载Z_L-第四双向功率开关管S4对输出负载放电。

2)第二电平的产生，第一功率开关管S1a断开、第二功率开关管S1b闭合，第三功率开关管S2a断开、第四功率开关管S2b闭合，第五功率开关管S3a闭合、第六功率开关管S3b闭合，第七功率开关管S4a闭合、第八功率开关管S4b闭合，此时有回路：输入交流电源Ui-输入滤波电感Li-输入储能电感L1-第二耦合电容C2-第一隔离变压器T1原边-第二隔离变压器T2原边-第二耦合电容C2，输入储能电感L1放电，第一隔离变压器T1、第二隔离变压器T2副边感应的能量通过第三耦合电容C3-第三双向功率开关管S3-第四双向功率开关管S4-第四耦合电容C4形成回路且对第三耦合电容C3和第四耦合电容C4充电，同时输出交流负载也通过回路：输出交流负载-输出储能电感L2-第三双向功率开关管3-第四双向功率开关管S4续流；

3)第一电平的另一种开关模态，第一功率开关管S1a断开、第二功率开关管S1b闭合，第三功率开关管S2a闭合、第四功率开关管S2b闭合，第五功率开关管S3a闭合、第六功率开关管S3b闭合，第七功率开关管S4a断开、第八功率开关管S4b闭合，此时有回路：输入交流电源Ui-输入滤波电感Li-输入储能电感L1-第一耦合电容C1-第一隔离变压器T1原边-第二双向功率开关管S2，第一隔离变压器T1副边感应的能量通过第三双向功率开关管S3对第三耦合电容C3形成充电回路；第二耦合电容C2通过第二双向功率开关管S2、第二隔离变压器T2原边形成放电回路，第二隔离变压器T2副边感应的能量通过回路第二隔离变压器T2副边-第四耦合电容C4-输出交流负载Z_L-输出储能电感L2-第三双向功率开关管S3对输出交流负载放电；

4)第二电平的产生，此开关模态与该周期内的开关模态(2)完全相同。

在输入交流电源负半周期内一个开关周期的工作过程与此类似：

a)第一电平的产生，第一功率开关管S1a闭合、第二功率开关管S1b闭合，第三功率开关管S2a闭合、第四功率开关管S2b断开，第五功率开关管S3a闭合、第六功率开关管S3b断开，第七功率开关管S4a闭合、第八功率开关管S4b闭合；

b)第二电平的产生，第一功率开关管S1a闭合、第二功率开关管S1b断开，第三功率开关管S2a闭合、第四功率开关管S2b断开，第五功率开关管S3a闭合、第六S3b闭合，第七功率开关管S4a闭合、第八功率开关管S4b闭合；

c)第一电平的另一种开关模态，第一功率开关管S1a闭合、第二功率开关管S1b断开，第三功率开关管S2a闭合、第四功率开关管S2b闭合，第五功率开关管S3a闭合、第六功率开关管S3b闭合，第七功率开关管S4a闭合、第八功率开关管S4b断开；

d)第二电平的产生，此开关模态与该周期内的开关模态b)完全相同。

此变换电路两个电平交替输出，它们之间通过改变输出时间的宽度，从而达到调节输出电压的目的，输出的两个电平经输出滤波器滤波后得到稳定或可调的同频正弦交流电压Uo。