[发明专利]一种交流斩波器

说明书

一、技术领域

本发明涉及一种交流变换器装置，特别是针对通过反馈交流电源电压极性来控制开关切换顺序实现功率转换的交流斩波器装置。

二、技术背景

相控整流技术作为一种比较成熟的交流调压技术，已在许多场合取代电磁类调压技术，获得了广泛应用。但是相控整流技术具有许多不可克服的缺陷，如受触发角影响功率因数较低、动态响应速度慢、输出低次谐波丰富以及严重的电网谐波电流污染等。近年来基于直流斩波器简单拓扑的交流斩波器成为了一个新的研究热点。交流斩波控制调压技术具有仅取决于负载的功率因数、动态响应速度快、线性调压范围宽以及输入输出易于滤波和波形高度正弦化等优点，可应用于大功率、快速调压等领域。

图1是一种现有的斩波器的电路示意图，开关K1、开关K2是一个全控开关器件，可以在任意时间开通和关断。电感L₀是储能器件，M为负载。当该斩波电路应用于DC/DC变换时，输入电压与输出电流极性均不发生变化。电路工作时，首先开关K1开通，同时开关K2关断，输入电源通过开关K1向L₀充电，i_L按指数曲线增大。然后开关K1关断，同时开关K2开通，电感L₀中的电流通过开关K2续流，i_L呈指数曲线下降。储能电感L₀越大，电流i_L的波动越小。在DC/DC变换中，为了简化电路，如图2所示，开关K2也可以是一个二极管D，二极管的阴极接到开关K1与储能电感L₀之间，二极管的阳极接输入电源的负极。这样，开关K1在开通对L₀充电时，二极管D反向偏置，没有电流流过二极管D。开关K1关断时，二极D管正向偏置，L₀中的电流通过二极管D续流。直流斩波电路的工作波形如图3所示。

直流斩波器是工作在输入电压和输出电流的一个象限中。将斩波器应用于AC/AC变换时，需要斩波器工作在输入电压与输出电流的四个象限中，使用的开关必须是双向的，这就需要更复杂的拓扑结构和开关控制方法。目前交流斩波器已经有很多拓扑结构和控制方法。图4所示的电路拓扑就是一种比较受欢迎的交流斩波器拓扑。交流斩波器的调压对象是交流电压，为了能在电压的正负半波都进行调制，开关必须是双向可控的。图4中，开关S1、开关S2、开关S3、开关S4为单向开关，它们分别由一个IGBT和一个二极管组成，二极管并联于IGBT的集电极和发射极之间，二极管的阴极与IGBT的集电极连接，这一端定义为开关的阴极；二极管的阳极与IGBT的发射极连接，这一端定义为开关的阳极。那么，开关就可以控制从阴极到阳极方向的电流导通和关断，而开关从阳极到阴极方向由于并联了二极管，电流在这个方向始终导通，因此称它们为单向开关。图4中，由开关S1与开关S4组成一对双向开关T1，由开关S2与开关S3组成一对双向开关T2。其中开关S1的阳极与开关S2的阴极相连；开关S4的阳极与开关S3的阴极相连；开关S1和开关S4的阴极接输入电压源，电感的一端接向开关S1的阳极，电感的另一端接在负载M上，电感和负载部分称为负载电路，负载M的另一端与开关S4的阳极连接，开关S1的阳极和开关S4的阳极为斩波器输出端。当开关S1与开关S4导通时，电路工作在有源模式，根据电路电流的方向，或交流电源向负载电路充电或者负载电路向交流电源馈电，电路简化图如图5(a)所示。当开关S2与开关S3导通时，电路工作在续流模式，电感通过负载续流放电，电路简化图如图5(b)所示。如果采用某种开关控制策略，使电路在有源模式和续流模式之间切换时，就实现了对输入电压的斩波调压。