本發(fā)明涉及電力電子領(lǐng)域，具體涉及一種AC-AC變換器。

背景技術(shù)：

交流電越來越多地用于人們的日常生活中，隨著人們對供電品質(zhì)的要求越來越高，目前期望能夠給用電設(shè)備提供電壓穩(wěn)定的交流電。

圖1是現(xiàn)有技術(shù)中的一種兩階段AC-AC變換器10，其包括AC-DC變換器12，連接在AC-DC變換器12的輸出端的儲能電容C和用于將儲能電容C上的直流電轉(zhuǎn)換為交流電的DC-AC逆變器13。由于儲能電容C的作用是儲能和穩(wěn)壓，因此儲能電容C應(yīng)當(dāng)選擇電容值大的鋁電容器。例如在輸出電壓為220伏的1KVA在線式不間斷電源中，儲能電容C的電容值為700uF左右。該儲能電容的體積大、成本高，因此AC-AC變換器10的體積大、成本高、功率密度小。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對上述現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種體積小、成本低的AC-AC變換器。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的一個實(shí)施例提供了一種AC-AC變換器，包括：

電連接至交流輸入端的第一電感和第一雙向可控開關(guān)，所述第一電感和第一雙向可控開關(guān)的聯(lián)結(jié)點(diǎn)為第一節(jié)點(diǎn)；

電連接至交流輸出端的第二電感和第二雙向可控開關(guān)，所述第二電感和第二雙向可控開關(guān)的聯(lián)結(jié)點(diǎn)為第二節(jié)點(diǎn)；

電連接在所述第一節(jié)點(diǎn)和第二節(jié)點(diǎn)之間的第三雙向可控開關(guān)；

第四雙向可控開關(guān)和第五雙向可控開關(guān)；以及

電容，所述電容的一端電連接至所述第一雙向可控開關(guān)和第二雙向可控開關(guān)的聯(lián)結(jié)點(diǎn)，且另一端分別通過所述第四雙向可控開關(guān)和第五雙向可 控開關(guān)電連接至所述第一節(jié)點(diǎn)和第二節(jié)點(diǎn)。

優(yōu)選的，所述電容為薄膜電容器。

優(yōu)選的，所述第一、第二、第三、第四或第五雙向可控開關(guān)包括反向串聯(lián)的2個具有反向并聯(lián)二極管的絕緣柵雙極型晶體管。

優(yōu)選的，所述第一、第二、第三、第四或第五雙向可控開關(guān)包括反向串聯(lián)的2個具有反向并聯(lián)二極管的金氧半場效應(yīng)晶體管。

優(yōu)選的，所述第一、第二、第三、第四或第五雙向可控開關(guān)包括反向并聯(lián)的2個逆阻型絕緣柵雙極型晶體管。

本發(fā)明的一個實(shí)施例還提供了用于上述的AC-AC變換器的控制方法，當(dāng)所述交流輸入端的交流電的電壓在大于第一閾值的第一預(yù)定范圍內(nèi)時，控制所述第一雙向可控開關(guān)和第五雙向可控開關(guān)截止，控制所述第四雙向可控開關(guān)導(dǎo)通，并給所述第二雙向可控開關(guān)和第三雙向可控開關(guān)提供互補(bǔ)的脈寬調(diào)制信號。

優(yōu)選的，在所述交流電的正半周期內(nèi)，控制所述第四雙向可控開關(guān)導(dǎo)通，使得從所述第一電感、第四雙向可控開關(guān)到所述電容形成導(dǎo)通路徑，同時交替進(jìn)行如下兩個步驟，

11)控制所述第三雙向可控開關(guān)導(dǎo)通，且控制所述第二雙向可控開關(guān)截止，以允許電流從所述第一電感流向所述第二電感；

12)控制所述第三雙向可控開關(guān)截止，且控制所述第二雙向可控開關(guān)導(dǎo)通，使得從所述第二雙向可控開關(guān)到所述第二電感形成導(dǎo)通路徑；

在所述交流電的負(fù)半周期內(nèi)，控制所述第四雙向可控開關(guān)導(dǎo)通，使得從所述電容、第四雙向可控開關(guān)到所述第一電感形成導(dǎo)通路徑，同時交替進(jìn)行如下兩個步驟，

21)控制所述第三雙向可控開關(guān)導(dǎo)通，且控制所述第二雙向可控開關(guān)截止，以允許電流從所述第二電感流向所述第一電感；

22)控制所述第三雙向可控開關(guān)截止，且控制所述第二雙向可控開關(guān)導(dǎo)通，使得從所述第二電感到所述第二雙向可控開關(guān)形成導(dǎo)通路徑。

本發(fā)明的另一個實(shí)施例還提供了用于上述的AC-AC變換器的控制方法，當(dāng)所述交流輸入端的交流電的電壓在小于第二閾值的第二預(yù)定范圍內(nèi)時，控制所述第二雙向可控開關(guān)和第四雙向可控開關(guān)截止，控制所述第五雙向可控開關(guān)導(dǎo)通，且給所述第一雙向可控開關(guān)和第三雙向可控開關(guān)提供互補(bǔ)的脈寬調(diào)制信號。

優(yōu)選的，在所述交流電的正半周期內(nèi)，控制所述第五雙向可控開關(guān)導(dǎo)通使得從所述電容、第五雙向可控開關(guān)到所述第二電感形成導(dǎo)通路徑，同時交替進(jìn)行如下兩個步驟，

11)控制所述第一雙向可控開關(guān)導(dǎo)通，且控制所述第三雙向可控開關(guān)截止，使得從所述第一電感到所述第一雙向可控開關(guān)形成導(dǎo)通路徑；

12)控制所述第一雙向可控開關(guān)截止，且控制所述第三雙向可控開關(guān)導(dǎo)通以允許電流從所述第一電感流向所述第二電感；

在所述交流電的負(fù)半周期內(nèi)，控制所述第五雙向可控開關(guān)導(dǎo)通使得從所述第二電感、第五雙向可控開關(guān)到所述電容形成導(dǎo)通路徑，同時交替進(jìn)行如下兩個步驟，

21)控制所述第一雙向可控開關(guān)導(dǎo)通，且控制所述第三雙向可控開關(guān)截止，使得從所述第一雙向可控開關(guān)到所述第一電感形成導(dǎo)通路徑；

22)控制所述第一雙向可控開關(guān)截止，且控制所述第三雙向可控開關(guān)導(dǎo)通以允許電流從所述第二電感流向所述第一電感。

本發(fā)明的另一個實(shí)施例還提供了用于上述的AC-AC變換器的控制方法，當(dāng)交流輸入端的電壓在第二閾值至第一閾值之間時，其中所述第二閾值小于所述第一閾值；控制所述第一雙向可控開關(guān)和所述第二雙向可控開關(guān)斷開，控制所述第四雙向可控開關(guān)、所述第五雙向可控開關(guān)之一導(dǎo)通或兩者都斷開，控制所述第三雙向可控開關(guān)一直導(dǎo)通，使得所述交流輸入端通過串聯(lián)的所述第一電感和第二電感連接至所述交流輸出端。

本發(fā)明的AC-AC變換器采用元器件數(shù)量少，且可以采用電容值小的薄膜電容器，體積小、成本低、功率密度大。

附圖說明

以下參照附圖對本發(fā)明實(shí)施例作進(jìn)一步說明，其中：

圖1是現(xiàn)有技術(shù)中的一種AC-AC變換器。

圖2是現(xiàn)有技術(shù)中的Buck變換器的電路圖。

圖3是現(xiàn)有技術(shù)中的Boost變換器的電路圖。

圖4a是根據(jù)本發(fā)明較佳實(shí)施例的AC-AC變換器的電路圖。

圖4b是根據(jù)本發(fā)明第一個實(shí)施例的雙向可控開關(guān)的電路圖。

圖4c是根據(jù)本發(fā)明第二個實(shí)施例的雙向可控開關(guān)的電路圖。

圖4d是根據(jù)本發(fā)明第三個實(shí)施例的雙向可控開關(guān)的電路圖。

圖5和圖6是圖4a所示的AC-AC變換器在交流電的正半周期內(nèi)的降壓模式下的等效電路圖。

圖7和圖8是圖4a所示的AC-AC變換器在交流電的負(fù)半周期內(nèi)的降壓模式下的等效電路圖。

圖9和圖10是圖4a所示的AC-AC變換器在交流電的正半周期內(nèi)的升壓模式下的等效電路圖。

圖11和圖12是圖4a所示的AC-AC變換器在交流電的負(fù)半周期內(nèi)的升壓模式下的等效電路圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖通過具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。

為了便于理解本發(fā)明AC-AC變換器實(shí)現(xiàn)升壓和降壓的原理，首先簡單介紹現(xiàn)有技術(shù)中經(jīng)典的Buck變換器和Boost變換器的工作原理。

圖2是現(xiàn)有技術(shù)中的Buck變換器的電路圖。通過控制Buck變換器中的開關(guān)管Q1以脈寬調(diào)制方式工作(即開關(guān)管Q1在高頻下交替地導(dǎo)通和截止)，從而實(shí)現(xiàn)輸出的直流電壓低于輸入的直流電壓。

圖3是現(xiàn)有技術(shù)中的Boost變換器的電路圖。通過控制Boost變換器中的開關(guān)管Q2以脈寬調(diào)制方式工作(即開關(guān)管Q2在高頻下交替地導(dǎo)通和截止)，從而實(shí)現(xiàn)輸出的直流電壓高于輸入的直流電壓。

圖4a是根據(jù)本發(fā)明較佳實(shí)施例的AC-AC變換器的電路圖。為了簡化圖4a，在圖4a中用開關(guān)符號表示雙向可控開關(guān)B1～B5(具體結(jié)構(gòu)參見圖4b-4d)。

如圖4a所示，AC-AC變換器20包括電連接至交流輸入端的電感L1和雙向可控開關(guān)B1，電連接至交流輸出端的電感L2和雙向可控開關(guān)B2，在此定義電感L1和雙向可控開關(guān)B1的聯(lián)結(jié)點(diǎn)為第一節(jié)點(diǎn)N1，電感L2和雙向可控開關(guān)B2的聯(lián)結(jié)點(diǎn)為第二節(jié)點(diǎn)N2，雙向可控開關(guān)B1和雙向可控開關(guān)B2的聯(lián)結(jié)點(diǎn)為第三節(jié)點(diǎn)N3。AC-AC變換器20還包括電連接在第一節(jié)點(diǎn)N1和第二節(jié)點(diǎn)N2之間的雙向可控開關(guān)B3，電容C1的一端連接至第三節(jié)點(diǎn)N3，另一端分別通過雙向可控開關(guān)B4、B5連接至第一節(jié)點(diǎn)N1和第二節(jié)點(diǎn)N2。

本發(fā)明的AC-AC變換器20包括5個雙向可控開關(guān)B1～B5、2個電 感L1、L2和一個電容C1，采用的元器件數(shù)目少，成本低。

圖4b-4d示出了本發(fā)明的雙向可控開關(guān)的電路圖。如圖4b所示，具有反向并聯(lián)二極管D1的絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)T1和具有反向并聯(lián)二極管D2的IGBT T2反向串聯(lián)形成一個雙向可控開關(guān)。如圖4c所示，具有反向并聯(lián)二極管D3的金氧半場效應(yīng)晶體管(MOSFET)T3和具有反向并聯(lián)二極管D4的MOSFET T4反向串聯(lián)形成一個雙向可控開關(guān)。如圖4d所示，逆阻型絕緣柵雙極型晶體管(RBIGBT)T5、T6反向并聯(lián)形成一個雙向可控開關(guān)。在本發(fā)明的其他實(shí)施例中，雙向可控開關(guān)還可以是具有雙向可控功能的單顆器件。

下面將結(jié)合AC-AC變換器20的工作模式和等效電路來說明其優(yōu)點(diǎn)。對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，可以基于現(xiàn)有的脈寬調(diào)制控制器(例如MCS-51單片機(jī))采用現(xiàn)有的生成方法(例如軟件生成法)分別給雙向可控開關(guān)B1～B5提供所需占空比的脈寬調(diào)制信號(PWM)，以控制其導(dǎo)通或截止。

基于交流輸入端的電壓值，AC-AC變換器20可以工作在以下三種工作模式中：

(1)當(dāng)交流輸入端的電壓在大于第一閾值的第一預(yù)定電壓范圍內(nèi)時，AC-AC變換器20工作在降壓模式。

(2)當(dāng)交流輸入端的電壓在小于第二閾值的第二預(yù)定電壓范圍內(nèi)時，AC-AC變換器20工作在升壓模式。

(3)當(dāng)交流輸入端的電壓在第二閾值至第一閾值之間時，AC-AC變換器20工作在正常輸出模式。其中第一閾值大于第二閾值。

以下將分別說明上述工作模式的實(shí)現(xiàn)方法：

降壓模式：雙向可控開關(guān)B1、B5被控制處于截止?fàn)顟B(tài)，在交流電的正半周期內(nèi)，控制雙向可控開關(guān)B4導(dǎo)通使得從電感L1、雙向可控開關(guān)B4到電容C1形成導(dǎo)通路徑，使得電容C1用于濾除開關(guān)紋波，同時交替進(jìn)行如下兩個控制過程：

(11)控制雙向可控開關(guān)B3導(dǎo)通，且控制雙向可控開關(guān)B2截止，以允許電流從電感L1流向電感L2，形成的等效電路圖如圖5所示，其中電流流向如圖5中的虛線箭頭所示。

(12)控制雙向可控開關(guān)B3截止，且控制雙向可控開關(guān)B2導(dǎo)通使得從雙向可控開關(guān)B2到電感L2形成導(dǎo)通路徑，其中電流流向如圖6中的虛 線箭頭所示，電感L1通過雙向可控開關(guān)B4和電容C1續(xù)流，電感L2通過雙向可控開關(guān)B2續(xù)流。

在交流電的負(fù)半周期內(nèi)，控制雙向可控開關(guān)B4導(dǎo)通，使得從電容C1、雙向可控開關(guān)B4到電感L1形成導(dǎo)通路徑，同時交替進(jìn)行如下兩個控制過程：

(21)控制雙向可控開關(guān)B3導(dǎo)通，且控制雙向可控開關(guān)B2截止，以允許電流從電感L2流向電感L1，形成的等效電路圖如圖7所示，其中電流流向如圖7中的虛線箭頭所示。

(22)控制雙向可控開關(guān)B3截止，且控制雙向可控開關(guān)B2導(dǎo)通，使得從電感L2到雙向可控開關(guān)B2形成導(dǎo)通路徑，其中電流流向如圖8中的虛線箭頭所示，電感L1通過電容C1和雙向可控開關(guān)B4續(xù)流，電感L2通過雙向可控開關(guān)B2續(xù)流。

在降壓模式中，雙向可控開關(guān)B3、B2是以互補(bǔ)的脈寬調(diào)制方式被控制?；谏鲜隹刂七^程，電感L1和電容C1可作為輸入濾波器，電容C1用于過濾開關(guān)紋波，并不用于儲能，因此其可以選用電容值小的薄膜電容器，體積小、成本低。另外雙向可控開關(guān)B3、B2和電感L2可作為Buck變換器，從而實(shí)現(xiàn)了在交流輸出端得到電壓降低的交流電。

升壓模式：雙向可控開關(guān)B2、B4被控制處于截止?fàn)顟B(tài)。在交流電的正半周期內(nèi)，控制雙向可控開關(guān)B5導(dǎo)通，使得從電容C1、雙向可控開關(guān)B5到電感L2形成導(dǎo)通路徑，使得電容C1用于濾除開關(guān)紋波，同時交替進(jìn)行如下兩個控制過程：

(11)控制雙向可控開關(guān)B1導(dǎo)通，且控制雙向可控開關(guān)B3截止，使得從電感L1到雙向可控開關(guān)B1形成導(dǎo)通路徑，形成的等效電路圖如圖9所示，其中電流流向如圖9中的虛線箭頭所示；

(12)控制雙向可控開關(guān)B1截止，且控制雙向可控開關(guān)B3導(dǎo)通以允許電流從電感L1流向電感L2，形成的等效電路圖如圖10所示，其中電流流向如圖10中的虛線箭頭所示。

在交流電的負(fù)半周期內(nèi)，控制雙向可控開關(guān)B5導(dǎo)通，使得從電感L2、雙向可控開關(guān)B5到電容C1形成導(dǎo)通路徑，同時交替進(jìn)行如下兩個控制過程：

(21)控制雙向可控開關(guān)B1導(dǎo)通，且控制雙向可控開關(guān)B3截止，使 得從雙向可控開關(guān)B1到電感L1形成導(dǎo)通路徑，形成的等效電路圖如圖11所示，其中電流流向如圖11中的虛線箭頭所示；

(22)控制雙向可控開關(guān)B1截止，且控制雙向可控開關(guān)B3導(dǎo)通以允許電流從電感L2流向電感L1。形成的等效電路圖如圖12所示，其中電流流向如圖12中的虛線箭頭所示。

在升壓模式中，雙向可控開關(guān)B3、B1是以互補(bǔ)的脈寬調(diào)制方式被控制?；谏鲜隹刂七^程，電感L2和電容C1作為輸出濾波器，同樣電容C1用于過濾開關(guān)紋波，并不用于儲能，因此其可以選用電容值小的薄膜電容器，體積小、成本低。另外電感L1、雙向可控開關(guān)B1、B3作為Boost變換器，從而實(shí)現(xiàn)了在交流輸出端得到電壓升高的交流電。

正常輸出模式：控制雙向可控開關(guān)B1和B2斷開，控制雙向可控開關(guān)B4、B5之一導(dǎo)通或兩者都斷開，且控制雙向可控開關(guān)B3一直導(dǎo)通。實(shí)現(xiàn)交流輸入端通過串聯(lián)的電感L1和L2連接至交流輸出端。

采用本發(fā)明的雙向AC-AC變換器20，當(dāng)所需的輸出電壓為220V時，電容C1可以選用電容值為7.5uF的薄膜電容器，其成本和體積遠(yuǎn)小于現(xiàn)有技術(shù)中的儲能電容C，且提高了雙向AC-AC變換器20的功率密度。

雖然本發(fā)明已經(jīng)通過優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行了描述，然而本發(fā)明并非局限于這里所描述的實(shí)施例，在不脫離本發(fā)明范圍的情況下還包括所作出的各種改變以及變化。