[发明专利]一种单相电流型AC/DC/AC变换器及其调制方法

说明书

技术领域

本发明涉及电路拓扑及其调制技术，更具体地，涉及一种单相电流型AC/DC/AC变换器及其调制方法。

背景技术

单相AC/DC/AC变换器可以提供幅值和频率可变的输出电压，目前已广泛的应用于线路电压调整器、有源滤波器、不间断电源、有功功率补偿器等场合中。然而，单相电压型/电流型变换器中存在的二次脉动功率，会对其直流母线电压/电流造成显著的低频波动，特别是在电源和负载的瞬时功率极度不同步时，低频波动更加严重。这会造成系统输入、输出性能下降以及元器件寿命缩短。因此，处理好输入输出端瞬时功率的不平衡，消除二次脉动功率对系统的影响至关重要。

采用大幅度增加无源器件的容量来缓和系统中的二次脉动功率的无源解耦技术虽然简单，但是却增加了系统的成本、降低了系统的功率密度，并且，不利于装置的模块化设计。另一方面，大容量的电解电容的使用还会限制系统的寿命，降低系统的可靠性。

从控制技术的角度出发，尽量实现电源功率和负载功率之间的同步，是减小直流滤波器件体积的一种可行方法。目前，该方法已经在多种电路拓扑中实现，例如：二级管整流型单相交流电源、单相到单相半桥变换器、单相到单相全桥变换器、六开关AC/DC/AC电压源变换器、六开关AC/AC电流源变换器、单相多级固态变压器系统等。虽然功率同步控制能够减小直流滤波电容的体积，但它要求电源与负载的频率和相位必须严格一致，这会限制变换器的应用范围。因为很多情况中，如风扇的速度控制、感应电动机驱动、感应加热等，输出电压的频率和相位由负载决定。

另外一种解决方案是被广泛运用在单相整流器或逆变器中的有源解耦技术。它的基本思路是通过开关装置将二次脉动功率转移到额外的小电容来避免二次脉动功率的不利影响，不存在无源解耦技术功率密度低、寿命受限等缺点，因而得到广泛的关注和研究。针对电流型AC/DC/AC变换器，目前的有源解耦方法的思路是在电源端和负载端同时增加一组桥臂和一个解耦电容来分别缓冲二次脉动功率。这类解耦方法需要额外增加三分之一的半导体装置，增加了系统的成本，控制和调制也变得更加复杂，且不可避免的降低了系统的效率。

发明内容

本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的能够有效降低成本、提高系统的运行效率和功率密度、扩宽输出电压范围的单相电流型AC/DC/AC变换器及其调制方法。

根据本发明的一个方面，提供一种单相电流型AC/DC/AC变换器，包括输入电源部分，以及与通过控制IGBT功率器件通/断而实现整流和逆变功能的开关桥臂并联到所述输入电源部分中的缓冲滤波电路，所述开关桥臂中连接有输出和负载电路。

根据本发明的另一个方面，提供一种用于调制单相电流型AC/DC/AC变换器的方法，包括以下步骤：

ST1、通过控制变换器的开关桥臂的IGBT功率器件的通/断状态，得到变换器不同的运行状态及与运行状态一一对应的电流矢量；

ST2、根据所需要合成的输入、输出参考电流将笛卡尔空间划分成不同的矢量扇区；

ST3、根据所述参考电流得到笛卡尔空间坐标系下的参考电流矢量

ST4、根据所述参考电流矢量I_ref所在的矢量扇区，计算所对应的电流矢量的占空比，以控制对应的运行状态的导通时间。

本申请的有益效果主要如下：

(1)通过开关桥臂的复用实现变换器整流和逆变的功能，减少了器件的使用，能够有效降低成本；

(2)非对称H桥电路能够有效的缓冲输入与输出功率之间的差额功率，使母线电流始终保持恒定；

(3)在缓冲滤波电路中，非对称H桥电路串联有直流滤波电感，能够有效滤除直流母线上由于高频开关产生的纹波电流，保证母线电流的稳定和平滑。同时，非对称H桥电路能够有效的减小直流滤波电感的体积，提高系统的功率密度；

(4)所需要合成的输入、输出参考电流对应的参考电流矢量，通过相关的不同运行状态对应的电流矢量与一个零矢量合成，即可实现对系统期望输入、输出电流控制信号的调制，通过合理选择零矢量，减少了开关桥臂中IGBT功率器件的通/断次数，提高了系统效率。

附图说明

图1为根据本发明实施例的一种单相电流型AC/DC/AC变换器的结构示意图；

图2a为根据本发明实施例的一种单相电流型AC/DC/AC变换器的不同运行状态示意图；

图2b为根据本发明实施例的一种单相电流型AC/DC/AC变换器的不同运行状态示意图；