ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ПЕРЕМЕННОЕ
AC-TO-AC VOLTAGE CONVERTER

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к преобразователю переменного напряжения в переменное.
Уровень техники
Преобразователи переменного напряжения в переменное используются для согласования линии передачи путем преобразования входной мощности переменного тока, например из магистральной линии, в регулируемую выходную мощность переменного тока, подаваемую к нагрузке. Нагрузка обычно представляет собой нагрузку, требующую надежности по обеспечению напряжения переменного тока и его частоты, например, IT-оборудование для критически важных задач. Напряжение постоянного тока может быть обеспечено аккумулятором или любым другим типом устройств хранения энергии. Напряжение постоянного тока также может обеспечиваться солнечной панелью или ветровым генератором, снабженным подходящим модулем преобразования энергии. Вход переменного тока может быть сетевым напряжением линии переменного тока, а выход может соответствовать любой нагрузке, потребляющей переменный ток.
Преобразователь переменного напряжения в переменное обычно состоит из выпрямителя (преобразователя переменного напряжения в постоянное) и инвертора (преобразователя постоянного напряжения в переменное). Эти два преобразователя связаны напряжением постоянного тока, которое фильтруется и поддерживается постоянным в период линии с использованием емкости большой величины или иного заданного устройства хранения энергии. Напряжение постоянного тока должно быть больше максимального пикового значения положительного и отрицательного полупериода напряжения линии. В контексте источника бесперебойного питания (ИБП, UPS) вероятно необходимо, чтобы линия нейтрали была общей для нагрузки и напряжения линии, а напряжение нагрузки совпадало по фазе с напряжением линии. Один из примеров показан в источнике «Модуляции пространственного вектора однофазного онлайнового трехучасткового источника бесперебойного питания ИБП (UPS)», Пинхейро и др., 2000 IEEE. Одна из наиболее распространенных техник для достижения этого состоит в обеспечении пары частотно-коммутируемых переключателей тока, соединенных в полумост, соединяющих либо отрицательную ветвь промежуточного напряжения постоянного тока с нейтралью во время положительного полупериода напряжения линии, либо положительную ветвь промежуточного напряжения постоянного тока с нейтралью во время отрицательного полупериода напряжения линии. Входной выпрямитель работает в качестве повышающего регулятора, трансформирующего входное напряжение переменного тока из сети в более высокое напряжение постоянного тока, в то же время обеспечивая синусоидальность входящего тока и постоянство напряжения постоянного тока. Выходной инвертор работает в качестве понижающего регулятора, обеспечивая синусоидальность выходного напряжения переменного тока и совпадение по фазе со входным напряжением. Конфигурация типичного трехучасткового однофазного ИБП показана на фиг. 1. Участки обозначены прерывистой линией как Bin, Bout, Bc.
Однако в таком типе цепи имеется существенный недостаток, так как центральный участок CL центрального полумоста Вс является общим для входного/выходного выпрямительного каскада (прямоугольник Bin) и выходного инверторного каскада (прямоугольник Bout). Управление синхронизацией для переключателей, соединенных с центральным участком, необходимо осуществлять с чрезвычайно высокой точностью, так как недопустимо смещение фазы между напряжением линии и напряжением нагрузки.
Преобразователь переменного напряжения в переменное из предшествующего уровня техники, показанный на фиг. 2, известен из источника «Исследования высокоэффективного однофазного ИБП», Тамоцу Ниномия и др, 0-7803-4489-8/98 IEEE. На фиг. 2 показан четырехучастковый преобразователь, в котором входной каскад (прямоугольники Bin1, Bin2) и выходной каскад (прямоугольные участки Ввых1, Ввых2) полностью развязаны.
На фиг. 3 показан четырехучастковый преобразователь переменное-постоянное-переменное напряжение с соединенными нейтралями линии и нагрузки, т.е. второй входной вывод ACin2 переменного тока соединен со вторым выходным выводом ACout2 переменного тока. Такая цепь достаточно сложна, поскольку имеет 4 участка и 4 индуктивности.
На фиг. 4 показана цепь, в которой четыре участка по фиг. 3 сокращены до трех участков и трех индуктивностей, и которая сохраняет способность независимого управления выходом переменного тока относительно входа переменного тока с некоторыми ограничениями. Что касается фиг. 1, участок Вс полумоста является общим для входного/выходного каскада. Здесь полумост Bin соединен с первым входным выводом ACin1 переменного тока через входную индуктивность Lin1, другой полумост Bout соединен с первым выходным выводом ACout1 переменного тока через выходную индуктивность Lout1, в то время как общий полумост Вс соединен со вторым входным выводом ACin2 переменного тока через общую индуктивностх Lc. Как показано на фиг. 4, второй входной вывод ACin2 переменного тока соединен непосредственно со вторым выходным выводом ACout2 переменного тока, и, следовательно, общий полумост Вс также можно полагать соединенным со вторым входным выводом ACin2 переменного тока через общую индуктивность Lc. Переключатели должны блокировать положительное напряжение и проводить отрицательный ток. В этой связи подходят полевые МОП-транзисторы (MOSFET), которые имеют желаемые свойства, так как в этом случае паразитный внутренний диод подложка-сток способен проводить ток в отрицательном направлении, см. фиг. 5.
Недостатком комбинации, состоящей из двух переключателей MOSFET в конфигурации полумоста, переключающегося с высокой частотой, являются существенные потери при переключении, возникающие при восстановлении в медленных внутренних диодах подложка-сток. Для преодоления этой проблемы и обеспечения высокочастотного переключения, а также получения всех преимуществ высокочастотного переключения в комбинации с высокой эффективностью, необходимо предотвратить проведение тока, текущего в другую ветвь, внутренними диодами подложка-сток (свободный ход).
Одной из целей настоящего изобретения является обеспечение преобразователя переменного напряжения в переменное, имеющего высокую эффективность и сохраняющего преимущества цепи, допускающей сдвиг фаз между входным напряжением сети и выходным напряжением нагрузки. Другой целью настоящего изобретения является обеспечение преобразователя переменного напряжение в переменное с уменьшенными потерями и тем самым более высокой эффективностью.
Раскрытие изобретения
Настоящее изобретение относится к преобразователю переменного напряжения в переменное, содержащему
- первый и второй входной вывод переменного тока;
- первый и второй выходной вывод переменного тока;
- входное устройство, подсоединенное между входным узлом, общим узлом, положительным выводом постоянного тока и отрицательным выводом постоянного тока, при этом входной узел соединен с первым входным выводом переменного тока через первую входную индуктивность;
- выходное устройство, подсоединенное между выходным узлом, положительным выводом постоянного тока и отрицательным выводом постоянного тока, при этом выходной узел соединен с первым выходным выводом переменного тока через выходную индуктивность;
- общее устройство, подсоединенное между общим узлом, положительным выводом постоянного тока и отрицательным выводом постоянного тока, при этом общий узел соединен со вторым входным выводом переменного тока через общую индуктивность;
- управляющее устройство для управления переключателями выходного устройства и общего устройства;
- устройство постоянного тока, подсоединенное между положительным выводом постоянного тока и отрицательным выводом постоянного тока; причем
выходное устройство содержит первый и второй выходные переключатели;
общее устройство содержит первый и второй общие переключатели;
второй входной вывод переменного тока соединен со вторым выходным выводом переменного тока;
а входное устройство содержит первый и второй диоды и двунаправленный переключатель, подсоединенный между входным узлом и общим узлом, при этом управляющее устройство также управляет двунаправленным переключателем.
В одном аспекте изобретения первый диод соединен анодом со входным узлом и соединен катодом с положительным выводом постоянного тока, второй диод соединен анодом с отрицательным выводом постоянного тока и соединен катодом со входным узлом.
В одном аспекте двунаправленный переключатель содержит первый двунаправленный переключатель и переключающие диоды (DBS1, DBS2, DBS3, DBS4). Здесь вывод стока первого двунаправленного переключателя соединен с анодом первого переключающего диода и с анодом второго переключающего диода; вывод истока первого двунаправленного переключателя соединен с катодом третьего переключающего диода и с катодом четвертого переключающего диода; катод первого переключающего диода и анод третьего переключающего диода соединены с первым узлом; катод второго переключающего диода и анод четвертого переключающего диода соединены со вторым узлом; управляющий вывод первого двунаправленного переключателя соединен с управляющей цепью.
В одном аспекте настоящего изобретения двунаправленный переключатель содержит первый двунаправленный переключатель и второй двунаправленный переключатель, каждый из которых содержит управляющий вывод, соединенный с управляющей цепью.
В одном аспекте настоящего изобретения вывод стока первого двунаправленного переключателя соединен с первым узлом, вывод стока второго двунаправленного переключателя соединен с третьим узлом, вывод истока первого двунаправленного переключателя соединен с выводом истока второго двунаправленного переключателя.
В одном аспекте настоящего изобретения вывод истока первого двунаправленного переключателя соединен с первым узлом, вывод истока второго двунаправленного переключателя соединен с третьим узлом, вывод стока первого двунаправленного переключателя соединен с выводом стока второго двунаправленного переключателя.
В одном аспекте настоящего изобретения устройство постоянного тока является конденсатором или аккумулятором. Кроме того, устройство постоянного тока может содержать дополнительный источник постоянного тока.
В одном аспекте настоящего изобретения общие переключатели представляют собой металлооксидные полупроводниковые полевые транзисторы (MOSFET) и биполярные транзисторы с изолированными затворами (IGBT) с антипараллельным диодом. В одном аспекте настоящего изобретения первый двунаправленный переключатель двунаправленного переключателя представляет собой транзистор MOSFET или IGBT. В одном аспекте настоящего изобретения первый и второй двунаправленные переключатели двунаправленного переключателя представляют собой транзисторы MOSFET.
Краткое описание графических материалов
Варианты осуществления настоящего изобретения будут раскрыты подробно со ссылками на прилагаемые  чертежи.
На фиг. 1-5 проиллюстрированы преобразователи переменного напряжения в переменное предшествующего уровня техники.
На фиг. 6 проиллюстрирован первый вариант осуществления преобразователя переменного напряжения в переменное.
На фиг. 7 проиллюстрирован второй вариант осуществления преобразователя переменного напряжения в переменное.
На фиг. 8а проиллюстрирован в увеличенном масштабе двунаправленный переключатель по фиг. 2b.
На фиг. 8b проиллюстрирован в увеличенном масштабе альтернативный вариант осуществления двунаправленного переключателя.
На фиг. 8с проиллюстрирован в увеличенном масштабе другой вариант осуществления двунаправленных переключателей.
На фиг. 9 показана имитационная модель, использованная в PSPICE для воспроизведения цепи с фиг. 7.
На фиг. 10а)-10е) проиллюстрированы волновые формы по результатам имитаций.
На фиг. 11 проиллюстрированы имитируемые токи, текущие через индуктивности в цепи.
Осуществление изобретения
На фиг. 6 проиллюстрирован преобразователь 1 переменного напряжения в переменное. Преобразователь 1 переменного напряжения в переменное содержит первый и второй входной вывод ACin1, ACin2 переменного тока и первый и второй выходной вывод ACout1, ACout2 переменного тока.
На фиг. 6 прерывистой линией отмечены три прямоугольника, обозначающие входное устройство Bin, выходное устройство Bout и общее устройство Вс.
Входное устройство Bin подсоединено между входным узлом 11, общим узлом 12, положительным выводом DCP постоянного тока и отрицательным выводом DCN постоянного тока. Входной узел 11 соединен с первым входным выводом ACin1 переменного тока через входную индуктивность Lin1.
В первую очередь подробно будет раскрыто выходное устройство Bout и общее устройство Вс.
Выходное устройство Bout подсоединено между выходным узлом 13, положительным выводом DCP постоянного тока и отрицательным выводом DCN постоянного тока. Выходной узел 13 соединен с первым выходным выводом ACout1 переменного тока через выходную индуктивность Lout1. Выходное устройство Bout содержит первый и второй выходные переключатели Sout1, Sout2. Первый выходной переключатель Sout1 подсоединен между выходным узлом 13 и положительным выводом DCP переменного тока, а второй выходной переключатель Sout2 подсоединен между отрицательным выводом DCN постоянного тока и выходным узлом 13. На фиг. 7 вывод истока первого выходного переключателя Sout1 соединен с выходным узлом 13, а вывод стока первого выходного переключателя Sout1 соединен с положительным выводом DCP постоянного тока. Более того, вывод истока второго выходного переключателя Sout2 соединен с отрицательным выводом DCN постоянного тока, а вывод стока второго выходного переключателя Sout2 соединен с выходным узлом 13.
Общее устройство Вс подсоединено между общим узлом 12, положительным выводом DCP постоянного тока и отрицательным выводом DCN постоянного тока. Общий узел 12 соединен со вторым входным выводом ACin2 переменного тока через общую индуктивность Lc.
Следует отметить, что второй входной вывод ACin2 переменного тока соединен непосредственно со вторым выходным выводом ACout2 переменного тока. Следовательно, общий узел 12 также соединен со вторым выходным выводом ACout2 переменного тока через общую индуктивность Lc, тем самым обеспечивая, что компоненты внутри прямоугольника Вс являются «общими» как для входной, так и для выходной стороны преобразователя 1.
Общее устройство Вс содержит первый и второй общие переключатели Sc1, Sc2. Первый общий переключатель Sc1 подсоединен между общим узлом 12 и положительным выводом DCP постоянного тока, а второй общий переключатель Sc2 подсоединен между отрицательным выводом DCN постоянного тока и общим узлом 12.
На фиг. 7 вывод истока первого общего переключателя Sc1 соединен с общим узлом 12, а вывод стока первого общего переключателя Sc1 соединен с положительным выводом DCP постоянного тока. Более того, вывод истока второго общего переключателя Sc2 соединен с отрицательным выводом DCN постоянного тока, а вывод стока второго общего переключателя Sc2 соединен с общим узлом 12.
Далее подробно будет раскрыто входное устройство Bin. Входное устройство Bin содержит первый и второй диоды Din1, Din2 и двунаправленный переключатель BS. Двунаправленный переключатель BS подсоединен между входным узлом 11 и общим узлом 12. Первый диод Din1 соединен анодом со входным узлом 11 и соединен катодом с положительным выводом DCP постоянного тока. Второй диод Din2 соединен анодом с отрицательным выводом DCN постоянного тока и соединен катодом со входным узлом 11. Предпочтительно, первый и второй диоды Din1, Din2 являются быстровосстанавливающимися диодами, например диодами из карбида кремния.
Преобразователь 1 также содержит управляющее устройство для управления переключателями выходного устройства Bout и общего устройства Вс. Следовательно, выводы затвора первого и второго выходных переключателей Sout1, Sout2 соединены с управляющим устройством, и выводы затвора первого и второго общих переключателей Sc1, Sc2 соединены с управляющим устройством. Управляющее устройство также управляет двунаправленным переключателем BS.
Преобразователь 1 также содержит устройство CDC постоянного тока, которое подсоединено между положительным выводом DCP постоянного тока и отрицательным выводом постоянного тока. Устройство CDC постоянного тока может быть конденсатором или аккумулятором. Устройство постоянного тока также может содержать дополнительный источник постоянного тока.
Далее будут раскрыты альтернативные варианты двунаправленного переключателя BS. В первом варианте осуществления, показанном на фиг. 7 и на фиг. 8а, двунаправленный переключатель BS содержит первый двунаправленный переключатель S1 и второй двунаправленный переключатель S2, каждый из которых содержит управляющие выводы GS1, GS2, соединенные с управляющей цепью. Вывод DS1 стока первого двунаправленного переключателя S1 соединен с первым узлом 11, вывод DS2 стока второго двунаправленного переключателя S2 соединен с третьим узлом 22, а вывод SS1 истока первого двунаправленного переключателя S1 соединен с выводом SS2 истока второго двунаправленного переключателя S2.
Во втором варианте осуществления, показанном на фиг. 8b, двунаправленный переключатель BS также содержит первый двунаправленный переключатель S1 и второй двунаправленный переключатель S2. Здесь вывод SS1 истока первого двунаправленного переключателя S1 соединен с первым узлом 11, вывод SS2 истока второго двунаправленного переключателя S2 соединен с третьим узлом 22, а вывод DS1 стока первого двунаправленного переключателя S1 соединен с выводом DS2 стока второго двунаправленного переключателя S2.
В третьем варианте осуществления, показанном на фиг. 8с, двунаправленный переключатель BS содержит первый двунаправленный переключатель S1 и переключающие диоды DBS1, DBS2, DBS3, DBS4. Здесь вывод DS1 стока первого двунаправленного переключателя S1 соединен с анодом первого переключающего диода DBS1 и с анодом второго переключающего диода DBS2. Вывод SS1 истока первого двунаправленного переключателя S1 соединен с катодом третьего переключающего диода DBS3 и катодом четвертого переключающего диода DBS4. Катод первого переключающего диода DBS1 и анод третьего переключающего диода DBS3 соединены с первым узлом 11. Катод второго переключающего диода DBS2 и анод четвертого переключающего диода DBS4 соединены со вторым узлом 22. Управляющий вывод GS1 первого двунаправленного переключателя S1 соединен с управляющей цепью.
В приведенном выше описании общие переключатели Sc1, Sc2 и выходные переключатели Sout1, Sout2 представляют собой переключатели на транзисторах MOSFET или переключатели на транзисторах IGBT с антипараллельным диодом. Предпочтительно, переключатели представляют собой транзисторы MOSFET из карбида кремния или нитрида галлия. На фиг. 8с первый двунаправленный переключатель S1 двунаправленного переключателя BS также является транзистором MOSFET или IGBT. На фиг. 8а и 8b первый и второй двунаправленный переключатель S1, S2 двунаправленного переключателя BS также представляют собой переключатели на транзисторах MOSFET.
Преобразователь переменного напряжения в переменное по фиг. 6 и фиг. 7 показывает, что можно заменить один из трех участков полумостов преобразователя по фиг. 5 на двунаправленный переключатель и два диода. Так как входной повышающий преобразователь Bin использует дискретные диоды D1 и D2 для свободного хода тока при выключении двунаправленного переключателя BS, внутренние диоды подложка-сток в транзисторе MOSFET не используются, тем самым решая проблему потерь на обратное восстановление в медленных внутренних диодах подложка-сток. Вместо этого можно использовать быстровосстанавливающиеся диоды или диоды из карбида кремния, т.е. первый и второй диоды D1 и D2, которые имеют очень низкие потери на обратное восстановление, если вообще таковые имеют место. Поэтому можно поднять частоту переключения входного повышающего преобразователя Bin без существенной потери эффективности. Тем самым реализуется эффективное устройство преобразования при сохранении всех преимуществ более высокой частоты переключения, например уменьшение фильтрующих компонент, уменьшение пульсаций во входной индуктивности L1 и т.д.
На фиг. 10а-с показаны управляющие сигналы для переключателей с фиг. 9. На фиг. 10d показаны токи пульсаций в индуктивностях Lin1 и Lout1, на фиг. 10е показаны токи пульсаций в общей индуктивности Lc. Токи пульсаций обнаруживают вдвое большую частоту по сравнению с частотой управляющих сигналов. Показано, что токи пульсаций уменьшаются путем синхронизации управляющих сигналов, так что индуктивности показывают вдвое большие пульсации переключения.
На фиг. 11 показано, что общая индуктивность Lc обеспечивает погашение компоненты частоты линии.