[发明专利]基于正激变换器的交－交型三电平交－交变换器

说明书

技术领域

本发明属于电力电子变换技术，特别是一种基于正激变换器的交-交型三电平交-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DC-DC、DC-AC和AC-DC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-交变换器和Buck型非隔离式交-交型三电平交-交变换器。交-直-交型多电平交-交变换器和Buck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；而后者存在拓扑形式单一、只能实现降压变换、无电气隔离等缺陷。

M.Glinka等人提出了一种中频隔离式交-直-交型多电平交-交变换器(“A newAC/AC multilevel converter family”，IEEE Transactions on Industrial Electronics，2005，Vol.52，No.3，pp.662～669.)，其电路结构由模块化多电平交-交变换器(M²LC)、中频变压器、整流器、逆变器和滤波器等构成，具有电气隔离、输出电压可控、模块化、适用于高压交-交变换等优点，但存在拓扑复杂、功率变换级数多(低频交流LFAC-直流DC-中频交流MFAC-直流DC-低频交流LFAC)、输入侧功率因数低、变换效率和功率密度低、体积重量大、控制复杂等缺陷。

发明内容

本发明的发明目的在于提供一种具有拓扑简洁、高频电气隔离、两级功率变换(低频交流LFAC-高频交流HFAC-低频交流LFAC)、双向功率流、输入侧功率因数高、输出滤波器前端电压频谱特性好、变换效率和功率密度高、适用于高压交-交电能变换场合的基于正激变换器的交-交型三电平交-交变换器。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于正激变换器的交-交型三电平交-交变换器，由依次连接的输入滤波器、多电平变换器、高频变压器、周波变换器、输出滤波器和输出交流负载构成，该变换器将不稳定的高压、劣质交流电变换成稳定或可调的同频、优质正弦交流电，并降低功率变换级数、实现高频电气隔离、适用于高压交-交变换场合的电路结构，即输入滤波电感L_i和输入滤波电容C_i构成输入滤波器，该输入滤波器对输入高压交流电源u_i进行滤波，所述的将经输入滤波器滤波后的输入电压转化为双极性多电平输出电压u_N1的多电平变换器与高频变压器T的初级绕组N₁连接，该高频变压器的次级绕组N₂与周波变换器连接，该周波变换器由第三四象限功率开关S₃和第四四象限功率开关S₄构成，将经高频变压器隔离、传输的多电平变换器的输出电压转化为单极性多电平输出电压n_AB；在该周波变换器中，第三四象限功率开关S₃的一端与高频变压器的次级绕组N₂的一端连接，另一端分别与第四四象限功率开关S₄和输出滤波电感L_f相连接，该第四四象限功率开关S₄的另一端和次级绕组N₂的另一端连接；该输出滤波电感L_f的另一端分别与输出滤波电容C_f和输出交流负载Z_L一端连接，该输出滤波电容C_f、输出交流负载Z_L的另一端与次级绕组N₂的另一端或者中间抽头相连接；所述的输出滤波电感L_f和输出滤波电容C_f构成输出滤波器，该输出滤波器滤除所述的周波变换器的输出电压u_AB中的高次谐波，从而在输出交流负载侧得到高质量的正弦交流电压u_o。