[发明专利]级联型实现任意合数变比的开关电容型AC-AC变换器

说明书

技术领域

本发明涉及了一种无磁性元件变换器，尤其是涉及了电力电子变换的技术领域的一种级联型实现任意合数变比的开关电容型AC-AC变换器。

背景技术

传统的交流电能变换通常采用电磁变压器，具有电气隔离、效率高、容量大等优点，但也存在体积大、音频噪声大、谐波污染等缺点。同时传统的电磁变压器满足不了电气电子设备小型化的要求。

电力电子系统集成化的关键技术之一是磁性元件(电感或变压器)的小型化和微型化，在软开关技术下提高开关频率无疑是一个十分有效的措施，这样电路中电感和变压器的体积都可以缩小，整个电路的性能都得到提升；然而，当开关频率达到400KHz-500KHz左右时，主开关与磁性元件的损耗增加，转换效率下降，电磁噪声加大，用于抑制噪声的滤波电容的体积随着增大，再提高开关频率，只能带来负面的影响，因此，通过提高开关频率的方式减小电源体积己经没有余地。

减少磁性元件的基本思路是发展无感变换器，开关电容型AC-AC变换器就是一种典型的无感变换器，它是将电容和一定数量的功率开关组合起来，电容的充放电通过对功率开关的控制实现，由电容和功率开关的组合实现许多不同变比的电路。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，深入研究开关电容型AC-AC变换器原理，本发明的目的在于提供一种级联型实现任意合数变比的开关电容型AC-AC变换器，设计了结构简单、控制简便、成本低廉的新型电子变压器来取代传统的变压器，并且同时可达到实现任意合数变比的不同档位的电压输出，可应用于其他档位调速的设计中。

本发明采用的技术方案是：

主要由多个用于实现输入输出1/N变比的基本单元电路依次级联构成，基本单元电路由电容和多组依次串联的功率开关组组成，每组功率开关组包括两个源极相互串联的功率开关管，任意相邻两个功率开关组串联后的两端均并联有一电容，驱动电路与各个功率开关管的栅极相连接；级联方式为由次一级基本单元电路中所有功率开关组串联后两端并联到上一级基本单元电路中任意一电容两端，由此形成所述开关电容型AC-AC变换器。

所述第一级基本单元电路中所有功率开关组依次串联后的两端作为电源输入端，最后一级基本单元电路中任一电容两端作为电源输出端。

所述的各级基本单元电路中电容的数量和功率开关组的组数相同。

所述的各级基本单元电路中电容的数量和功率开关组的组数不相同。

各个基本单元电路所达到的降压变比不相同，最后一级基本单元电路电源输出端的电压与电源输入端电压的变比为各个基本单元电路的降压变比的乘积，故可实现任意非质数变比。

所述的变换器的输入端与220V的50Hz市电连接，输出端与负载连接。

所述的功率开关组中的每个功率开关管均由驱动电路提供PWM信号进行驱动，驱动电路与各个功率开关管的栅极相连接。

本发明提出了将基本单元电路级联的新思路，基于可实现输入输出1/N变比的基本单元电路结构，为了实现更多不同的变比得到更多全新的电路拓扑结构，将基本单元电路级联，打破了原有的将AC-AC变换器纵向拓展的固有思路，具有极大的创新性和研究价值。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：

本发明仅以电容作为储能元件，驱动信号控制功率开关管的导通与关断，从而控制电容的充放电时间，每一级基本单元电路随着较多侧电容数N的改变，输出的变比发生相应的变化；通过接入基本单元电路的级数的改变，实现逐级降压，可实现任意合数变比，以此控制对输出电压任意合数变比的变级选择。

本发明由于不含有磁性元件，因此具有体积小、重量轻、电源效率高等优点。随着电路中基本单元电路级数的增加，电路的等效内阻基本与第一级实现输入输出1/N变比的基本单元电路的等效内阻一致保持不变。与此同时降低了变换器的体积与重量，提高了功率密度。

附图说明

图1是本发明AC-AC变换器的电路拓扑图。

图2是基本单元电路施加电压到一侧

图3是基本单元电路中功率开关管接收驱动的PWM信号波形图。

图4是实施例1实现1/6变比的电容型AC-AC变换器的电路拓扑图。

图5是实施例2实现1/12变比的电容型AC-AC变换器的电路拓扑图。

图6是是输入电压u_i与220V的50Hz市电连接，接入到两级基本单元电路，进行三分压后，实现1/6变比的实验结果。