阅读说明：本技术 一种利用igbt或mos管的ac-ac变换器及其控制方法 (AC-AC converter using IGBT or MOS tube and control method thereof ) 是由 王德斌 王康 于 2019-01-22 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种利用IGBT或MOS管的AC-AC变换器及其控制方法,包括：电连接交流输出端的控制电路,所述控制电路电连接2(两)个并联的IGBT模块,分别为第一IGBT模块和第二IGBT模块；所述第一和第二IGBT模块每个模块均与两个串联的二极管并联；所述IGBT模块包含两个串联的IGBT开关管及其反向并联的二极管；所述第一和第二IGBT模块的输出端为第一输出端和第二输出端；所述第一输出端串联电感,还包括电容,电容的一端连接电感和负载的一端,另一端连接第二输出端和负载的另一端。本发明由于去掉了现有技术中由交流进行整流变成直流的电路,采用AC-AC的主电路控制模式,减少了电能转换流程,从而提高了电源变换效率,减少了电子元器件,降低了生产成本,且缩小了变换器的体积。(The invention discloses an AC-AC converter using IGBT or MOS tube and a control method thereof, comprising the following steps: the control circuit is electrically connected with the alternating current output end, and the control circuit is electrically connected with 2 (two) IGBT modules which are connected in parallel and are respectively a first IGBT module and a second IGBT module; each of the first and second IGBT modules is connected in parallel with two diodes connected in series; the IGBT module comprises two series-connected IGBT switching tubes and diodes which are connected in parallel in an opposite direction; the output ends of the first IGBT module and the second IGBT module are a first output end and a second output end; the first output end is connected with the inductor in series and further comprises a capacitor, one end of the capacitor is connected with one end of the inductor and one end of the load, and the other end of the capacitor is connected with the second output end and the other end of the load. The invention eliminates the circuit that the alternating current is rectified into the direct current in the prior art, and adopts the AC-AC main circuit control mode, thereby reducing the electric energy conversion flow, improving the power conversion efficiency, reducing the electronic components, reducing the production cost and reducing the volume of the converter.)

一种利用IGBT或MOS管的AC-AC变换器及其控制方法

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种AC-AC变换器及其控制方法。

背景技术

随着电能在工业和民用领域的大规模应用，以单相电和三相电做为初始能量的提供方式的各种开关电源和变频器等电力变化装置得到了极大的应用。但是，在电力的某些特殊应用领域，仍然千篇一律地采用先整流后逆变的电能变换模式，导致用电设备整体的输入功率因数低下，电源变换效率不高。

发明内容

基于背景技术存在的技术问题，本发明针对现有技术中电能使用按照交流-直流-交流进行电能变换的模式会导致用电设备整体的输入功率因数低下、电源变换效率不高，开发出一种按照交流-交流的方式进行输出功率调节或输出电流变换的方法，可以大幅提升用电设备的输入功率因素，降低用电设备对电网的污染，同时还能有效地提升用电设备的转换效率。

本发明的一种利用IGBT或MOS管的AC-AC变换器，包括：电连接交流输出端的控制电路，所述控制电路电连接两个并联的IGBT模块，分别为第一IGBT模块和第二IGBT模块；所述第一和第二IGBT 模块每个模块均与两个串联的二极管并联，其中第一IGBT模块与D1 和D2并联，第二IGBT模块与D3和D4二极管并联；所述IGBT模块包含两个串联的IGBT开关管及其反向并联的二极管，其中第一IGBT 模块包含Q1和Q2开关管，第二IGBT模块包含Q3和Q4开关管；所述第一和第二IGBT模块的输出端为第一输出端和第二输出端；所述第一输出端串联电感；还包括电容，电容的一端连接电感和负载的一端，另一端连接第二输出端和负载的另一端。

进一步的，所述两个串联的IGBT开关管与两个串联的二极管并联，且第一输出端与两个IGBT管之间和两个二极管之间均有连接点。

进一步的，所述第一IGBT模块和第二IGBT模块对称连接设置。

进一步的，所述Q1和Q3相同，Q2和Q4相同。

进一步的，所述Q1和Q3开关频率为20KHZ，所述Q2和Q4的开关频率为50HZ。

进一步的，所述IGBT模块可替换为MOS管。

本发明还提供上述变换器的控制方法，包括如下步骤：

由控制电路判断交流输出端的L、N两根相线的相对电位高低，当L线电位高于N线电位时，Q2关闭，Q4导通；反之，当L线电位低于N线电位时，Q2导通，Q4关闭。

进一步的，所述Q2、Q4的开关频率是50HZ，与相线电位变化同步；Q1、Q3的开关频率是20KHZ，由控制电路按照输出功率大小进行 PWM调制。显然，在整个电路中，Q2、Q4起着阻断和续流的作用，其作用类似于斩波电路中的续流二极管；Q1、Q3起着斩波的作用，其导通占空比大小起着调节输出功率大小的作用，并且Q1和Q3仅仅在所连接的相线处于相对高电位时才起作用。

本发明的有益效果是：

本发明由于去掉了现有技术中由交流整流成直流过程的电子元器件，降低了生产成本，且缩小了变换器的体积。另外，本发明只存在两个PN结的直通损耗，其功率因数近似是1，较传统方式损耗明显降低。

本发明采用AC-AC的主电路控制模式，减少了电能转换流程，从而提高了电源变换效率，减少了电子元器件，降低了生产成本，且缩小了变换器的体积。

附图说明

图1为现有技术中电能使用按照交流-直流-交流进行电能变换的主电路图；

图2为本发明单相利用IGBT或MOS的AC-AC变换器的主电路原理图；

图3为本发明三相利用IGBT或MOS的AC-AC变换器的主电路原理图；

图4为现有技术中利用可控硅进行电子调速的正弦图；

图5为应用本发明进行电子调速的正弦图；

图6为应用本发明进行电子调速的原理图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步解说。

实施例

如图2所示，本实施例提出的一种利用IGBT或MOS的AC-AC变换器，包括：电连接交流输出端的控制电路，所述控制电路电连接两个并联的IGBT模块，分别为第一IGBT模块和第二IGBT模块；所述第一和第二IGBT模块每个模块均与两个串联的二极管并联，其中第一IGBT模块与D1和D2并联，第二IGBT模块与D3和D4二极管并联；所述IGBT模块包含两个串联的IGBT开关管及其反向并联的二极管，其中第一IGBT模块包含Q1和Q2开关管，第二IGBT模块包含Q3和 Q4开关管；所述第一和第二IGBT模块的输出端为第一输出端和第二输出端；所述第一输出端串联电感；还包括电容，电容的一端连接电感和负载的一端，另一端连接第二输出端和负载的另一端。

进一步的，所述两个串联的IGBT开关管与两个串联的二极管并联，且第一输出端与两个IGBT管之间和两个二极管之间均有连接点。

进一步的，所述第一IGBT模块和第二IGBT模块对称连接设置， Q1和Q3相同，Q2和Q4相同。Q1和Q3开关频率为20KHZ，所述Q2 和Q4的开关频率为50HZ。

上述IGBT模块可替换为MOS模块。

单相变换器的控制方法，由控制电路判断交流输出端的L、N两根相线的相对电位高低，当L线电位高于N线电位时，Q2关闭，Q4 导通；反之，当L线电位低于N线电位时，Q2导通，Q4关闭。Q2、 Q4的开关频率是50HZ，与相线电位变化同步；Q1、Q3的开关频率是 20KHZ，由控制电路按照输出功率大小进行PWM调制。显然，在整个电路中，Q2、Q4起着阻断和续流的作用，其作用类似于斩波电路中的续流二极管；Q1、Q3起着斩波的作用，其导通占空比大小起着调节输出功率大小的作用，并且Q1和Q3仅仅在所连接的相线处于相对高电位时才起作用。

具体工作过程为：当ULN>0时，Q3直通，Q1与D2构成斩波电路；当ULN＝0时，零电压零电流换向，ZVS，ZCS变换；当ULN<0时， Q2直通，Q3与D2构成斩波电路。

如图1所示的现有技术有8个环节通态损耗 (L→D1→Q1→L1→Q2→RL→L2→Q5→D4→N)，常规功率因素：0.47，整流以后把电容电压拉高了，变频器里面电容数量太多，功率因素会降低，电网电压需要比电容电压高才能提供电流，电网电压比电容电压低电容会提供电流，所以大部分时间电容电压与电流不同步。

本发明只存在两个PN结的直通损耗，其功率因数近似是1，较传统方式损耗明显降低。

如图3所示，三相变换器的控制方法，由于主电路中存在6个IGBT，其控制逻辑相对复杂，为此，我们将6个IGBT分成两大组，外组Q1， Q3，Q5和内组Q2，Q4，Q6。外组三个IGBT由同一个驱动电路的同一个磁环上的三个不同次级驱动，也就是说，在电路正常工作期间，外组三个IGBT Q1，Q3，Q5的开关状态始终是相同的，它们的开关频率在20KHZ左右，其导通占空比大小控制着能量输出的大小。

内组Q2，Q4，Q6的导通状态相对复杂：首先由控制电路判断A， B，C三根相线的相对电位高低(主电路见图3)，为叙述方便，假设在某一瞬间A,B,C三根相线电位满足如下关系：UA>UB>UC.这时Q2，Q4始终关闭，Q6导通，随着UA，UB，UC相对电位的变化，Q2，Q4，Q6的开关状态也随之发生变化，其始终遵循的准则是：在三根相线电位的变化过程中，只有与最低电位相连接的IGBT的下管才是导通的，另外两个IGBT下管关闭。

主电路中的6个IGBT按照上述规则，在控制电路PWM驱动波形的控制下有序导通和关断，就实现了AC-AC的能量传送过程。由此可以看出，相对于传统的AC-DC-AC电路，其不仅减少了电路的变换环节，有效地降低了成本，提高了电气设备的电能转换效率，并且还把功率因数提升到近似等于1。

例如，将本发明用到电子调速，现有技术中电子调速一般都用可控硅，可控硅的调节原理如图4所示：双向并联的波形，调速调的是导通角，导通角会变动，一段时间通，剩余一段时间不通，通过调节导通角的大小调节输出功率。

应用本发明进行电子调速的调节原理如图5和图6所示，功率因数的意思：

指的是电压和电流之间的夹角，电流电压不同步，阴影部分是电流波形。应用本发明的电子调速的电压和电流之间夹角为0。软启动是恒流特性，本发明进行电子调速是恒压特性。转距M 正比于电压与电流乘积，正比于励磁电流，也正比于B、H。应用本发明的电子调速可以实现重载启动，也可以实现零电压启动。它具备了变频调速和软启动的优点，克服了它们的缺点。

变频调速，1HZ逆变，异步电动机按50HZ进行线圈缠绕。线圈圈数按照三相异步电动机50HZ进行计算，线圈达到50HZ后磁饱和；变成1HZ时，仅更改频率，不改变电压，线圈就会烧坏。所以还需要进行降压，整个流程环节太多，要经过整流、滤波、斩波、逆变等环节。本发明去掉了后面的环节，改成了跟向序同步的斩波，就变成了一个环节。同时具有调压功能，可以调节电压的幅度。基本原理：调节正弦波。我把正弦波上面的50HZ，10ms，下面的10ms，划分成若干份，如100份或100份以上，每一个波形划分成若干份，一个周期 20μs或者25μs，假如25μs 100份或以上，在这100份或以上中，我们进入每一小份调节，分份调节，100份或以上调好后，再拼凑起来，整体幅度就变为可调了。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。