单开关半桥电能变换器

技术领域

本发明属于电能变换器领域。

背景技术

在电能变换器领域中，目前应用最广泛的一种电能变换器是由一支电容桥臂和一支开关桥臂中间连接一支输出回路构成的传统半桥电能变换器，如图1所示，这也是最经典的DC/AC电能变换器。该种传统半桥电能变换器存在以下几点不足：

(1)开关器件在桥臂结构中上、下串联，其连接关系导致在互补驱动时需要相互隔离，电路结构复杂、且不方便控制；

(2)不易实现电流型变换；

(3)不易实现输入有源功率因数控制；

(4)在某些场合下运行存在发生上、下开关直通故障的隐患。

虽然电能变换领域还有一种单开关式电流型变换器，且具有驱动功能、控制简单方便、易于实现电流型变换的优点，如图2所示。但在通用电网下应用，存在开关器件电流电压应力大的不足，限制了其广泛应用。

经过分析上述两种传统电能变换器电路结构中存在的不足，其主要原因是由于构成电路结构的各连接元器件的连接关系和电路结构形式造成的。

综上所述，传统半桥变换器在应用中存在以下问题：

1.驱动控制复杂，须相互间隔离。

2.不易实现电流型变换和软开关控制。

3.不易实现有源功率因数变换控制和双向电能变换。

发明内容

本发明是为了解决现有电能变换器在互补驱动时需要相互隔离、不易实现电流型变换和软开关控制、且不易实现有源功率因数变换控制和双向电能变换的问题，现提供三种单开关半桥电能变换器。

第一种单开关半桥电能变换器包括：电感L

第二种单开关半桥电能变换器包括：电感L

上述第二种单开关半桥电能变换器还包括：电容C

上述第二种单开关半桥电能变换器还包括：二极管D

第三种单开关半桥电能变换器包括：电感L

本发明所述单开关半桥双向电能变换器存在的有益效果如下：

1、电路结构简单，功率开关器件少；

2、驱动控制方便，容易实现电流型变换和控制；

3、能够将几只功率开关器件并联使用和进行软开关控制；

4、具有自主演化适应多场合输出功能，具有双向变换功能；

5、构成电路结构的元器件均为通用电子元器件，单元的装配成本和批量组织生产成本均低。

附图说明

图1为传统半桥电能变换器电路图；

图2为单开关式电流型变换器电路图；

图3为具体实施方式一所述的单开关半桥电能变换器的电路结构示意图；

图4为图3所示电路的等效电路图；

图5为图3中电路演化的单开关Boost半桥电路图；

图6为传统Boost/PFC变换器与传统半桥变换器的组合电路结构示意图；

图7和图8分别为图3中电路演化的E类工作变换和CUK变换的单开关半桥电路结构示意图；

图9和图10分别为传统半桥两种用于输入整流的电路结构示意图；

图11为具体实施方式二所述的单开关半桥电能变换器的电路结构示意图；

图12为图11所述单开关双向电能变换器的工作原理等效电路图；

图13为具体实施方式三所述的单开关半桥电能变换器的电路结构示意图；

图14、图15和图16分别为图11演化的Boost/PFC、E类半桥和CNK变换器的电路结构示意图；

图17为典型隔离式UPS系统电路结构示意图；

图18为采用基本变换单元A和B构成的隔离式UPS系统电路结构示意图；

图19为经典的维也纳高功因数变流器电路结构示意图；

图20为基本变换单元C与维也纳变流器融合后的电路结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：参照图3具体说明本实施方式，比较图1和图2所示两种电路结构，把图1所示电路中的电容桥臂置入到图2所示电路中，或者说用图2中的电感器L

包括：电感L

开关S的一端分别连接直流电源的负极、二极管D正极和电容C

图3和图4电路中的电容C是输出回路的隔直电容，图4中的实、虚线分别表示电路工作时开关S导通、截止时工作电流变换方向，即在每个开关周期内输出负载就通过一次往复的变换电流，对输出负载回路的工作原理与传统半桥基本相同，能同样对输出负载实现DC/AC的电能变换功能。

由于驱动控制化繁为简，本实施方式所述单开关半桥电能变换器很容易实现电流型变换，同时还继承了传统半桥电能变换器所具有的对直流的抗不平衡能力，实践也证实了电路中电容桥臂的中点就是输入电压的中点电压，这一特点使其在某些场合也能作为平衡桥之用。本实施方式的另一特点是可以将其作为电能变换器平台，视场合需要在其电路结构内对几个无源元器件的连接关系进行适应性演化，以适应多场合需要，例如：将两只二极管分别接到电感器L

在某些要求较高场合还经常能看到由传统Boost/PFC变换器+传统半桥变换器的组合电路结构，如图6所示。但由于该组合电路结构复杂性和成本的增加限制了它的广泛应用。经过适当演化图5所示电路就可以成为图6电路扩大应用范围的简化版。同理，又可以以本实施方式作为平台将其输出回路演化成E类工作变换和CUK变换的单开关半桥延伸版，见图7和图8所示。这种平台演化作用拓宽了单开关半桥变换器的应用范围，能够作为平台演化的主要依据是他们之间具有工作原理上的共同点。

将本实施方式结构称为基本变换单元A，以该基本变换单元A为平台，改变主要元器件的连接关系，使其工作电流适合输入整流。众所周知，传统半桥变换器还具有AC/AC即输入整流功能，但在实际应用中存在的不足影响了它的广泛应用。用于输入整流的传统半桥电路结构见图9和图10，图9电路中除驱动控制复杂以外、各元器件的电压应力大；图10电路中的两只通用开关器件在输入整流过程中导通损耗大。

具体实施方式二：参照图11和图12具体说明本实施方式，本实施方式将基本变换单元A中开关S的下端改接到交流输入的一端并将该端的输入整流二极管桥臂去掉；在交流输入的另一端接入LC电感电容输入滤波网络；在开关S原来的位置上接入LC电容电感串联回路。具体结构如图11所示，其工作原理等效电路如图12所示。

具体的，本实施方式所述的单开关半桥电能变换器，包括：电感L

开关S的一端分别连接交流电源的一端和电容C

图12中，实、虚线分别表示开关S在导通、截止期间工作电流的变换方向。通过实践也证实了本实施方式所述单开关半桥电能变换器，即只用一只开关工作也能实现无桥输入有源整流功能，在许多场合还可以进行单开关单级AC/AC变换。

本实施方式所述单开关半桥电能变换器具有变换平台的演化功能见图14、15和16所示，它们是各自都具有无桥输入整流功能的单开关变换器，其分别为：单开关Boost/PFC、E类和CNK单开关变换器。

进一步的，如图15所示，单开关双向电能变换器还包括：电容C

进一步的，如图16所示，单开关双向电能变换器还包括：二极管D

有极电容C

二极管D

具体实施方式三：参照图13具体说明本实施方式，本实施方式所述的单开关半桥电能变换器，其特征在于，包括：电感L

开关S的一端分别连接交流电源的一端和电容C

把本实施方式二所述单开关半桥电能变换器称为基本变换单元B，把本实施方式二所述单开关半桥电能变换器称为基本变换单元C。基本变换单元C比B只多了桥臂中点电压，其它区别不大，连功率开关的电压应力都相同，都可以进行功能演化，可以在E-F点输出直流电压给后级负载，还可以同时输出AC、DC负载。

基本变换单元B、C的基本特点如下：

a、电路结构简单，功率开关器件最少。

b、驱动控制方便，容易实现电流型变换和控制。

c、容易将几只功率开关器件并联使用和进行软开关控制。

d、具有自主演化适应多场合输出功能，基本变换单元B、C具有双向变换功能。

e、构成电路结构的元器件均为通用电子元器件，单元的装配成本和批量组织生产成本均低。

f、基本变换单元C也同样具有对直流抗不平衡能力。

在实际操作中，上述两种具体实施方式所述的单开关双向电能变换器能够有如下应用：

1、在中小功率不间断电源领域，通常是由AC/DC、DC/AC变换器的组成，图17所示电路是典型隔离式UPS系统，该系统使用了传统二极管桥式整流方式，9只功率开关器件。

采用基本变换单元A、B构成的隔离式UPS系统，如图18所示。从图17的传统Boost+传统半桥输出中可知，前级的Boost/PFC与后级的DC/AC变换中间一定要有一只较高电压的大容量电解电容作为直流负载，而采用基本变换单元B由输入整流直接转为AC变换就可以省去这三个不可靠的大容量电解电容器。最主要的是功率开关器件省去了4只，只用了5只功率开关，相较之前省去了将近一半。

2、基本变换单元C在三相电网中的运用

在三相输入整流领域中，功能性好实用性好的是经典的维也纳高功因数变流器，如图19所示。该变流器在三相输入整流中体现的优势主要有：功率转换率高、输入电流的THD小、开关器件的电压低、易于实现高功率因数控制、可靠性高。不足点在于：开关器件较多、控制复杂、只能单向整流变换。

将基本变换单元C与维也纳变流器的电路结构相比较并将二者融合在一起，不但能继承各自的优势还能扬长避短，融合后的维也纳变流器可以克服掉上述三点不足，不但开关器件减少了，控制也简单了，还增加了直接变换输出功能，使维也纳变流器具备了双向变换功能，这就是基本变换单元C的平台演化功能和融合功能，具体电路见图20。

从输入到负载输出，所经过的元器件数目越少，该装置的效率就越高，也越可靠。对单开关半桥双向电能变换器更多的认识，演化和应用，需要在更多领域，尤其是工业领域。