專利名稱：全橋高頻鏈單相電力電子變壓器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及的是一種整流變壓技術(shù)領(lǐng)域的裝置，具體是一種全橋高頻鏈單相 電力電子變壓器。
背景技術(shù)：
電力變壓器是電力系統(tǒng)的主要設(shè)備，傳統(tǒng)的電力變壓器具有制作工藝簡單、可靠 性高等優(yōu)點(diǎn)，在電網(wǎng)中得到廣泛的應(yīng)用。但是它也有一些顯著的缺點(diǎn)如體積、重量、空載損 耗大；過載時易導(dǎo)致輸出電壓下降，從而導(dǎo)致故障擴(kuò)大；帶非線性負(fù)荷時，畸變電流通過變 壓器耦合進(jìn)入電網(wǎng)，造成對電網(wǎng)的污染；電源側(cè)電壓收到干擾時，又會傳遞到負(fù)載側(cè)，導(dǎo)致 對敏感負(fù)荷的影響；使用絕緣油造成環(huán)境污染；需要配套的保護(hù)設(shè)備對其進(jìn)行保護(hù)。經(jīng)過對電力電子變壓器技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，中國專利申請?zhí)?2139030. 4，
公開日
2003. 03. 12.，記載了一種“電力電子變壓器”，采用了結(jié)構(gòu)和控制原理復(fù)雜的矩陣變換器結(jié) 構(gòu)，理論復(fù)雜，技術(shù)難度復(fù)雜。進(jìn)一步檢索發(fā)現(xiàn)，中國專利申請?zhí)?00910025824. 3，
公開日=2009. 11. 04.，記載
了一種“多功能電力電子變壓器”，同樣采用了結(jié)構(gòu)和控制原理復(fù)雜的變換器結(jié)構(gòu)，理論復(fù) 雜，技術(shù)難度復(fù)雜，網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)難以控制。WANG JUN 等，在“智能電網(wǎng)技術(shù)” IEEE Trans, on Industry Electronics Magzine. 2009年6月，公開了一種電力電子變壓器結(jié)構(gòu)和控制原理，采用了可控整流器、高 頻鏈變壓器、高頻整流器和逆變器結(jié)構(gòu)，控制復(fù)雜，效率難以控制。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種全橋高頻鏈單相電力電子變 壓器，可取代傳統(tǒng)電力變壓器。它通過高頻變壓器實(shí)現(xiàn)磁耦合，通過電力電子變換技術(shù)和高 頻變壓器實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)中的電壓變換和能量傳遞，可實(shí)現(xiàn)對變壓器原、副邊電壓幅值和相 位的靈活控制。具有體積小、重量輕、空載損耗小、不需要絕緣油等優(yōu)點(diǎn)。本實(shí)用新型通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)，本實(shí)用新型包括輸入濾波電路、交流斬波電 路、高頻變壓器電路和輸出濾波電路，其中輸入濾波電路的輸入端和輸出端分別與單相高 壓正弦電源和交流斬波電路相連接，交流斬波電路輸出端連接高頻變壓器電路，高頻變壓 器電路輸出端連接輸出濾波電路，輸出濾波電路的輸出端與負(fù)載相連。所述的輸入濾波電路包括一個電感和一個交流電容，其中第一電感的一端與 交流電源的一端相連，第一交流電容的一端與第一電感的另一端相連后與交流斬波電路相 連，第一交流電容的另一端與交流電源的另一端相連后與交流斬波電路相連。所述的交流斬波電路包括八個晶體管和八個功率二極管，其中第一晶體管的 集電極、第五晶體管的集電極、第一功率二極管的陰極與第五功率二極管的陰極相連，第一 晶體管的發(fā)射極、第一功率二極管的陽極、第二晶體管的發(fā)射極與第二功率二極管的陽極 相連，第五晶體管的發(fā)射極、第五功率二極管的陽極、第六晶體管的發(fā)射極與第六功率二極管的陽極相連，第二晶體管的集電極、第二功率二極管的陰極、第三晶體管的集電極、第三 功率二極管的陰極相連后與高頻變壓器電路中的高頻變壓器初級繞組的一端相連，第六晶 體管的集電極、第六功率二極管的陰極、第七晶體管的集電極、第七功率二極管的陰極相連 后與高頻變壓器電路中的高頻變壓器初級繞組的另一端相連，第三晶體管的發(fā)射極、第三 功率二極管的陽極、第四晶體管的發(fā)射極與第四功率二極管的陽極相連，第七晶體管的發(fā) 射極、第七功率二極管的陽極、第八晶體管的發(fā)射極與第八功率二極管的陽極相連，第四晶 體管的集電極、第四功率二極管的陰極、第八晶體管的集電極與第八功率二極管的陰極相 連，所述的第一至第四晶體管和第一至第四功率二極管構(gòu)成第一橋臂，第五至第八晶體管 和第五至第八功率二極管構(gòu)成第二橋臂。所述的晶體管均為SiC型絕緣柵雙極型晶體管；所述的高頻變壓器電路為高頻變壓器，其初級繞組一端與交流斬波電路的第一橋 臂中點(diǎn)相連，初級繞組的另一端與交流斬波電路的第二橋臂中點(diǎn)相連，次級繞組的一端與 輸出濾波電路的第九功率二極管的陽極相連，次級繞組的另一端與輸出濾波電路的第十功 率二極管的陽極相連，次級繞組的中心抽頭與輸出濾波電路中的第一電解電容負(fù)極與第二 電解電容負(fù)極相連。所述的輸出濾波電路包括四個電感、兩個功率二極管、兩個電解電容和兩個交流 電容，其中第九功率二極管的陽極與高頻變壓器電路中高頻變壓器次級繞組的一端相連， 第十功率二極管的陽極與高頻變壓器電路中高頻變壓器次級繞組的另一端相連，第一高速 二極管的陰極與第二電感的一端相連，第二高速二極管的陰極與第三電感的一端相連，第 二電感的另一端、第一電解電容的陽極與第四電感的一端相連，第三電感的另一端、第二電 解電容的陽極與第五電感的一端相連，第一電解電容的陰極、第二電解電容的陰極、第二交 流電容的一端和第三交流電容的一端相連，第四電感的另一端與第二交流電容的另一端相 連，第五電感的另一端與第三交流電容的另一端相連。本實(shí)用新型中的輸入濾波電路負(fù)責(zé)濾除高頻電流，獲得正弦電流波形；交流斬波 電路負(fù)責(zé)將單相正弦電壓斬波成為正弦半波包絡(luò)的脈沖電壓；高頻變壓器電路負(fù)責(zé)將正弦 半波包絡(luò)的脈沖電壓降壓為低幅值、低紋波的正弦半波包絡(luò)直流電壓；輸出濾波電路輸出 正弦半波電壓。根據(jù)高頻交流斬波、高頻變壓器工作原理以及采用高壓大功率晶體管來提 高電力電子變壓器的電壓等級，設(shè)計(jì)制作了支持高壓大功率的新型電力電子變壓器，因而 具有設(shè)計(jì)構(gòu)思新穎、通用性強(qiáng)等特征，同時具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、成本低、實(shí)現(xiàn)容 易等優(yōu)點(diǎn)，尤其適用于電力系統(tǒng)中的輸配電變壓器場合。

圖1為本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
下面對本實(shí)用新型的實(shí)施例作詳細(xì)說明，本實(shí)施例在以本實(shí)用新型技術(shù)方案為前 提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本實(shí)用新型的保護(hù)范圍不限 于下述的實(shí)施例。如圖1所示，本實(shí)施例包括輸入濾波電路1、交流斬波電路2、高頻變壓器電路3、輸出濾波電路4，其中輸入濾波電路1與單相高壓正弦電源連接，后接交流斬波電路2，交 流斬波電路2輸出端連接高頻變壓器電路3，高頻變壓器電路3輸出端連接輸出濾波電路 4，輸出濾波電路4后接負(fù)載。所述的輸入濾波電路1包括第一電感Ll和第一交流電容Cl，其中第一電感Ll的 一端與交流電源的一端相連，第一交流電容Cl的一端與第一電感Ll的另一端相連后與交 流斬波電路2的第一晶體管Sl的集電極相連，第一交流電容Cl的另一端與交流電源的另 一端相連后與交流斬波電路2的第四晶體管S4的集電極相連。所述的交流斬波電路2包括第一晶體管管Sl 第八晶體管管S8、第一功率二極 管Dl 第八功率二極管D8，其中第一晶體管Sl的集電極、第五晶體管S5的集電極、第一 功率二極管Dl的陰極與第五功率二極管D5的陰極相連，第一晶體管Sl的發(fā)射極、第一功 率二極管Dl的陽極、第二晶體管S2的發(fā)射極與第二功率二極管D2的陽極相連，第五晶體 管S5的發(fā)射極、第五功率二極管D5的陽極、第六晶體管S6的發(fā)射極與第六功率二極管D2 的陽極相連。第二晶體管S2的集電極、第二功率二極管D2的陰極、第三晶體管S3的集電 極、第三功率二極管D3的陰極相連后與高頻變壓器電路3中的高頻變壓器Tl初級繞組的 一端相連，第六晶體管S6的集電極、第六功率二極管D2的陰極、第七晶體管S7的集電極、 第七功率二極管D7的陰極相連后與高頻變壓器電路3中的高頻變壓器Tl初級繞組的另一 端相連，第三晶體管S3的發(fā)射極、第三功率二極管D3的陽極、第四晶體管S4的發(fā)射極與第 四功率二極管D4的陽極相連，第七晶體管S7的發(fā)射極、第七功率二極管D7的陽極、第八晶 體管S8的發(fā)射極與第八功率二極管D8的陽極相連，第四晶體管S4的集電極、第四功率二 極管D4的陰極、第八晶體管S8的集電極與第八功率二極管D8的陰極相連。所述的高頻變壓器電路3為高頻變壓器Tl，其中高頻變壓器Tl的初級繞組一端 與交流斬波電路2的第一橋臂中點(diǎn)相連，其初級繞組另一端與交流斬波電路2的第二橋臂 中點(diǎn)相連。高頻變壓器Tl的次級繞組的一端與輸出濾波電路4的第九功率二極管D9的陽 極相連，高頻變壓器Tl次級繞組的另一端與輸出濾波電路4的第十功率二極管DlO的陽極 相連。高頻變壓器Tl次級繞組的中心抽頭與輸出濾波電路4中的第一電解電容El負(fù)極與 第二電解電容負(fù)極E2相連。所述的輸出濾波電路4包括第二電感L2 第五電感L5、第一電解電容El、第二電 解電容E2、第二交流電容C2、第三交流電容C3，第九功率二極管D9，第十功率二極管D10， 其中第九功率二極管D9的陽極與高頻變壓器電路3中高頻變壓器Tl次級繞組的一端相 連，第十功率二極管DlO的陽極與高頻變壓器電路3中高頻變壓器Tl次級繞組的另一端相 連，第九功率二極管D9的陰極與第二電感L2的一端相連，第十功率二極管DlO的陰極與第 三電感L3的一端相連，第二電感L2的另一端、第一電解電容El的陽極與第四電感L4的一 端相連，第三電感L3的另一端、第二電解電容E2的陽極與第五電感L5的一端相連，第一電 解電容El的陰極、第二電解電容E2的陰極、第二交流電容C2的一端和第三交流電容C3的 一端相連，第四電感L4的另一端與第二交流電容C2的另一端相連，第五電感L5的另一端 與第三交流電容C3的另一端相連。本實(shí)施例的工作原理為交流斬波電路中，采用單相矩陣變換器結(jié)構(gòu)，將輸入的高 壓工頻交流電壓變換成包絡(luò)線為交流工頻的高頻PWM電壓脈沖，輸入到后級高頻變壓器電 路。輸入濾波電路將交流斬波形成的脈沖電流濾波成為光滑的電流，降低網(wǎng)側(cè)電流諧波，提高功率因數(shù)。帶中間抽頭的高頻變壓器將原邊的高壓交流高頻脈沖電壓轉(zhuǎn)換為兩路相位相 反的低壓交流高頻脈沖電壓。輸出濾波電路將高頻交流脈沖電壓濾波為工頻交流電壓，從 而實(shí)現(xiàn)單相電力電子變壓器的功能。 本實(shí)施例中的輸入交流電壓6kV，輸出兩路相位相反的、有效值為120V的交流正 弦電壓，額定輸出功率10kW。高壓電感Ll取lmH，電感L2和L3取2mH。高壓交流電容Cl 取4xl00nF，6kV耐壓，實(shí)際上每兩并聯(lián)后串聯(lián)，分散就近布置。交流電容C2和C3取47nF， 400V。晶體管Sl S8和二極管Dl D8耐壓15kV，允許通過電流IOA0高頻變壓器Tl為 高壓高頻開關(guān)變壓器，電壓變比為50 1。
權(quán)利要求一種全橋高頻鏈單相電力電子變壓器，包括輸入濾波電路、交流斬波電路、高頻變壓器電路和輸出濾波電路，其特征在于輸入濾波電路的輸入端和輸出端分別與單相高壓正弦電源和交流斬波電路相連接，交流斬波電路輸出端連接高頻變壓器電路，高頻變壓器電路輸出端連接輸出濾波電路，輸出濾波電路的輸出端與負(fù)載相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全橋高頻鏈單相電力電子變壓器，其特征是，所述的輸入濾 波電路包括一個電感和一個交流電容，其中第一電感的一端與交流電源的一端相連，第 一交流電容的一端與第一電感的另一端相連后與交流斬波電路相連，第一交流電容的另一 端與交流電源的另一端相連后與交流斬波電路相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全橋高頻鏈單相電力電子變壓器，其特征是，所述的交流斬 波電路包括八個晶體管和八個功率二極管，其中第一晶體管的集電極、第五晶體管的集 電極、第一功率二極管的陰極與第五功率二極管的陰極相連，第一晶體管的發(fā)射極、第一功 率二極管的陽極、第二晶體管的發(fā)射極與第二功率二極管的陽極相連，第五晶體管的發(fā)射 極、第五功率二極管的陽極、第六晶體管的發(fā)射極與第六功率二極管的陽極相連，第二晶體 管的集電極、第二功率二極管的陰極、第三晶體管的集電極、第三功率二極管的陰極相連后 與高頻變壓器電路中的高頻變壓器初級繞組的一端相連，第六晶體管的集電極、第六功率 二極管的陰極、第七晶體管的集電極、第七功率二極管的陰極相連后與高頻變壓器電路中 的高頻變壓器初級繞組的另一端相連，第三晶體管的發(fā)射極、第三功率二極管的陽極、第四 晶體管的發(fā)射極與第四功率二極管的陽極相連，第七晶體管的發(fā)射極、第七功率二極管的 陽極、第八晶體管的發(fā)射極與第八功率二極管的陽極相連，第四晶體管的集電極、第四功率 二極管的陰極、第八晶體管的集電極與第八功率二極管的陰極相連，所述的第一至第四晶 體管和第一至第四功率二極管構(gòu)成第一橋臂，第五至第八晶體管和第五至第八功率二極管 構(gòu)成第二橋臂。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的全橋高頻鏈單相電力電子變壓器，其特征是，所述的晶體管 均為SiC型絕緣柵雙極型晶體管。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的全橋高頻鏈單相電力電子變壓器，其特征是，所述的高頻變 壓器電路為高頻變壓器，其初級繞組一端與交流斬波電路的第一橋臂中點(diǎn)相連，初級繞組 的另一端與交流斬波電路的第二橋臂中點(diǎn)相連，次級繞組的一端與輸出濾波電路的第九功 率二極管的陽極相連，次級繞組的另一端與輸出濾波電路的第十功率二極管的陽極相連， 次級繞組的中心抽頭與輸出濾波電路中的第一電解電容負(fù)極與第二電解電容負(fù)極相連。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全橋高頻鏈單相電力電子變壓器，其特征是，所述的輸出濾 波電路包括四個電感、兩個功率二極管、兩個電解電容和兩個交流電容，其中第九功率 二極管的陽極與高頻變壓器電路中高頻變壓器次級繞組的一端相連，第十功率二極管的陽 極與高頻變壓器電路中高頻變壓器次級繞組的另一端相連，第一高速二極管的陰極與第二 電感的一端相連，第二高速二極管的陰極與第三電感的一端相連，第二電感的另一端、第一 電解電容的陽極與第四電感的一端相連，第三電感的另一端、第二電解電容的陽極與第五 電感的一端相連，第一電解電容的陰極、第二電解電容的陰極、第二交流電容的一端和第三 交流電容的一端相連，第四電感的另一端與第二交流電容的另一端相連，第五電感的另一 端與第三交流電容的另一端相連。專利摘要一種整流變壓技術(shù)領(lǐng)域的一種全橋高頻鏈單相電力電子變壓器，包括輸入濾波電路、交流斬波電路、高頻變壓器電路、輸出濾波電路，其中輸入濾波電路的輸入端和輸出端分別與單相高壓正弦電源和交流斬波電路相連接，交流斬波電路輸出端連接高頻變壓器電路，高頻變壓器電路輸出端連接輸出濾波電路，輸出濾波電路的輸出端與負(fù)載相連。本裝置可取代傳統(tǒng)電力變壓器。它通過高頻變壓器實(shí)現(xiàn)磁耦合，通過電力電子變換技術(shù)和高頻變壓器實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)中的電壓變換和能量傳遞，可實(shí)現(xiàn)對變壓器原、副邊電壓幅值和相位的靈活控制。具有體積小、重量輕、空載損耗小、不需要絕緣油等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號H02M7/06GK201726325SQ20102028861
公開日2011年1月26日 申請日期2010年8月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月11日
發(fā)明者張永鑫, 楊喜軍, 田書欣, 鐘莉娟 申請人:上海交通大學(xué)