本發明涉及電力電子調壓技術領域，特別涉及一種包括開關管保護電路的反相位輸出的一種單相x型互錯式三電平交流調壓電路。

背景技術：

交流調壓電路是將交流輸入電壓通過變換電路轉換為一定范圍內電壓可調的交流電的電路。隨著電力電子技術的飛速發展，各行各業對電氣設備性能要求的提高，對電壓的性能要求越來越高。許多行業的用電設備不是直接使用電網提供的交流電作為電源，而是通過各種調壓電路對電網交流電進行變換，從而得到各自需要的電能形式。

cn101039078a公開了一種非隔離式的直接調壓電路。cn102185481b和cn102882389a講述的是從交流到直流變換的一種電路結構，只能應用于led照明電路中。迄今為止，國內外電力電子研究人員對于調壓電路的研究，主要集中在ac-dc-ac的間接變換和dc-dc變換形式，對ac-ac調壓的研究多集中于同相位變換的電路結構；對多電平調壓變換電路的研究也較兩電平調壓電路少，而且多電平電路的研究主要集中在多電平逆變器中，對于多電平ac-ac直接變換調壓電路的研究也比較有限。所研究的調壓電路大多存在電路結構復雜、輸出電壓波形質量不高、調壓過程慢等缺陷。

在實現本發明時，發明人發現對于該電路中的雙管雙向開關管，在不加緩沖電路的情況下即可實現軟關斷，但單管雙向開關管卻存在大量峰值很高的尖峰電壓，而且現有的rcd等開關管緩沖電路在單管雙向開關管的開斷過程中仍出現不少尖峰電壓，不能很好地實現軟開斷，這無疑會增加開關損耗，降低電路的調壓效率。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是：提供一種單相x型互錯式三電平交流調壓電路，該電路可以實現ac/ac斬波直接反相位變換，以直流變換電路結構為基礎，利用x型互錯式開關管的結構輸出三電平，使調壓電路具有三電平調壓變換電路的優勢，具有電路結構簡單、單級變換、輸出電壓諧波少、電壓應力小、且輸出電壓調節快的優點。同時，電路中的開關管保護部分可以實現單管雙向開關管的軟關斷，減小開關損耗。

本發明解決該技術問題所采用的技術方案是：一種單相x型互錯式三電平交流調壓電路，包括主電路部分和開關管保護部分，其中主電路部分包括電源ui、電感li、電感lo、電容c1、電容c2、電容c、igbt開關管s1、igbt開關管s2、igbt開關管s3、igbt開關管s4、igbt開關管s5、igbt開關管s6、二極管d1～d4、二極管d01～d08、電阻r。開關管保護部分包括lr1(lr2)、電容cr1(cr2)、電容cs1(cs2)。igbt開關管s1、igbt開關管s2、d1、d2構成雙管雙向開關管；igbt開關管s3、igbt開關管s4、d3、d4構成另一個雙管雙向開關管；igbt開關管s5、d01～d04構成單管雙向開關管；igbt開關管s6、d05～d08構成另一個單管雙向開關管。上述器件的連接方式為：電源ui的一端與li的一端連接，li的另一端與c1、cs1、lr1的一端連接，同時與s1的漏極、d1的陰極連接，s1的源極與s2的源極、d2的陽極連接，s2的漏極與d2的陰極連接，同時與ui的另一端、cs2、lr2、c2的一端連接，lr1的另一端接d01的陽極、d03的陰極，d01的陰極與d02的陰極、s5的漏極、cr1的一端連接，s5的源極與d03的陽極、d04的陽極、cr1的另一端連接，lr2的另一端接d05的陽極、d07的陰極，d05的陰極與d06的陰極、s6的漏極、cr2的一端連接，s6的源極與d07的陽極、d08的陽極、cr2的另一端連接，c1的另一端與d06的陽極、d08的陰極、cs2的另一端連接，同時與s3的漏極連接、lo的一端連接，c2的另一端與d02的陽極、d04的陰極、cs2的另一端連接，同時與s4的漏極連接，s3的漏極與d3的陰極連接，s3的源極與d3的陽極、s4的源極連接，s4的源極與d4的陽極連接，s4的漏極與d4的陰極連接，lo的另一端與c、r的一端連接，c、r的另一端都與s4的漏極連接。

上述一種單相x型互錯式三電平交流調壓電路，其主電路調壓變換的工作原理為：根據單相三電平ac-ac變換電路輸入電壓ui的極性劃分，調壓變換電路分為(i)、(ii)兩個模態，每個模態下又分為四個開關模式。

其中(i)模態為當ui＞0時，開關管s2、s4處于半周期截止狀態，四個開關模式為：

開關模式1：s5導通，其余關斷。電源ui通過ui、li、d01、s5、d04、c2構成的回路為電容c2充電，電容c2右端為正，同時為電感li儲能，而電容c1通過c1、d01、s5、d04、r、lo構成的回路為電感lo和負載r供電。此時ab兩端輸出的電平為-uc，其中uc為c1兩端的電壓；

開關模式2：s1導通，其余關斷。電源ui通過ui、li、s1、d2構成的回路為電感li儲能，而電容c1、c2通過c1、s1、d2、c2、r、lo構成的回路為電感lo和負載r供電。此時ab兩端輸出的電平為-2uc，其中2uc為c1、c2兩端的電壓；

開關模式3：s6導通，其余關斷。電源ui、電感li通過ui、li、c1、d06、s6、d07構成的回路為電容c1充電，電容c1左端為正，而電容c2通過r、lo、d06、s6、d07構成的回路為電感lo和負載r供電。此時ab兩端輸出的電平為-uc，其中uc為c2兩端的電壓；

開關模式4：s3導通，其余關斷。電源ui、電感li通過ui、li、c1、s3、d4、c2構成的回路為電容c1、c2充電，而電感lo通過lo、s3、d4、r構成的回路為負載r續流。此時ab兩端輸出的電平為零。

(ii)模態為當ui＜0時，開關管s1、s3處于半周期截止狀態，四個開關模式為：

開關模式1：s6導通，其余關斷。電源ui通過ui、d05、s6、d08、c1、li構成的回路為電容c1充電，電容c1右端為正，同時為電感li儲能，而電容c2通過c2、d05、s6、d08、lo、r構成的回路為電感lo和負載r供電。此時ab兩端輸出的電平為uc，其中uc為c2兩端的電壓；

開關模式2：s2導通，其余關斷。電源ui通過ui、s2、d1、li構成的回路為電感li儲能，而電容c1、c2通過c1、lo、r、c2、s2、d1構成的回路為電感lo和負載r供電。此時ab兩端輸出的電平為2uc，其中2uc為c1、c2兩端的電壓；

開關模式3：s5導通，其余關斷。電源ui、電感li通過ui、c2、d02、s5、d03、li構成的回路為電容c2充電，電容c2左端為正，而電容c1通過c1、lo、r、d02、s5、d03構成的回路為電感lo和負載r供電。此時ab兩端輸出的電平為uc，其中uc為c1兩端的電壓；

開關模式4：s4導通，其余關斷。電源ui、電感li通過ui、c2、s4、d3、c1、li構成的回路為電容c1、c2充電，而電感lo通過lo、r、s4、d3構成的回路為負載r續流。此時ab兩端輸出的電平為零。

上述一種單相x型互錯式三電平交流調壓電路，輸出電壓與輸入電壓實現了反相位變換。

上述一種單相x型互錯式三電平交流調壓電路，只要調節好ab輸出端的0、uc、2uc三個電平導通時間，就可以自如實現輸入與輸出電壓的升降壓功能，而且ab端的電壓輸出為三電平形式，屬多電平變換技術，較兩電平電路擁有輸出電壓正弦度高、電壓應力小、電壓諧波少、畸變率低的優勢。

上述一種單相x型互錯式三電平交流調壓電路，在實際應用中為了避免開關管被擊穿，所用開關管保護電路即clc緩沖電路是一種新型的拓撲電路，由電感lr、電容cr、cs組成，clc與單管雙向開關管的續流二極管相結合，可以實現變換電路中單管雙向開關管的軟關斷，具有減小尖峰電壓和電壓應力，減緩開關管電壓迅速上升的特點。

上述一種單相x型互錯式三電平交流調壓電路，所用開關管保護電路即clc緩沖電路，主要用于保護主電路中的單管雙向開關管，對于其他buck、boost、buck-boost等交流直接變換電路中應用到單管雙向開關管的電路同樣適用。

上述一種單相x型互錯式三電平交流調壓電路，所用clc緩沖電路的工作原理為：可以分為開關管s5和開關管s6的過程分析，其中又分為開關管的開通過程與關斷過程分析，開關管s5的過程分析如下：1)開關管s5開通時，因電路中因緩沖電感lr和二極管d01開啟效應的作用，開關管s5實現零電流導通。s5導通后，電容cr兩端電壓vcr先發生下降變化，vcr＜vcs，此時電源和cs共同為lr儲能，電感電流ilr逐漸上升，因電容cs的存在，ilr大于電路中電流，之后vcr與vcs不斷下降，電感與開關管中的電流逐漸恢復到電路電流，最后，vcr＝vcs＝0，ilr＝isi＝il，開通過程結束。變換器進入正常工作狀態。2)開關管s5關斷，因緩沖電容cr電壓不突變的特性，電容兩端電壓vcr仍為0，開關管實現了零電壓關斷。開關管s5中的電流is1迅速下降，但電感電流ilr不會迅速下降，此時ilr通過d01、cr、d03形成回路，vcr與vcs同步上升。當開關管s5完全截止，cr在電源和緩沖電感放電的作用下電壓還在升高，直到上升至uc。最后，vcr＝vcs＝uc，ilr＝is1＝0，關斷過程結束。變換器進入正常工作狀態。開關管s6的開通與關斷過程與s5類似。

上述一種單相x型互錯式三電平交流調壓電路，其中所涉及的零部件均是本技術領域的技術人員所熟知并可以商購獲得的，所涉及的零部件連接和安裝方法是本技術領域的技術人員所能掌握的。

本發明的顯著進步是，與現有技術相比，本發明突出的實質性特點和顯著進步如下：

1)本發明一種單相x型互錯式三電平交流調壓電路，為一種新型的三電平ac-ac調壓電路，可以實現輸入與輸出電壓的反相位變換。

2)本發明一種單相x型互錯式三電平交流調壓電路，具有拓撲簡單、電壓應力小、單級變換等優點，它不僅實現了三電平的轉換和輸出電壓的寬范圍調節，提高了電路的功率密度和效率，還減少了電壓波形的畸變率和igbt開關管的導通損耗。

3)本發明一種單相x型互錯式三電平交流調壓電路，在調壓變換電路的模式切換中，每次僅有兩個開關管之間進行變換，相對于其他多電平交流調壓電路的導通模式之間的切換較為簡單，在每個模式下僅有一個開關管處于導通狀態，減小了損耗，提高了變換效率，且在輸入電壓正負周期中，兩對結構對稱且導通時間對稱的開關管，這對于調壓變換電路的控制驅動電路提供了便利條件。

4)本發明一種單相x型互錯式三電平交流調壓電路，應用一種新型的開關管保護電路clc緩沖電路，降低了igbt開關管因過電壓而擊穿的風險。在主電路工作過程中每個工作模態無需設置死區時間，實現了igbt開關管的軟關斷。

附圖說明

下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。

圖1是本發明一種單相x型互錯式三電平交流調壓電路的總電路拓撲圖。

圖2是本發明一種單相x型互錯式三電平交流調壓電路的主電路工作過程原理圖。

圖3是本發明一種單相x型互錯式三電平交流調壓電路的開關管保護電路拓撲圖。

具體實施方式

圖1所示實施例表明，本發明一種單相x型互錯式三電平交流調壓電路的總電路拓撲結構，包括交流電源ui，七個電容c1、c2、c、cr1、cr2、cs1、cs2、，四個電感li、lo、lr1、lr2，六個igbt開關管s1、s2、s3、s4、s5、s6，十二個快恢復二極管d1～d4、d01～d08，一個電阻r。其中s1、s2、d1、d2組成雙管雙向開關管，s3、s4、d3、d4組成另一個雙管雙向開關管，s5、d01～d04構成單管雙向開關管，s6、d05～d08構成另一個單管雙向開關管。上述器件的連接方式為：輸入電源ui的一端與li的一端連接，li的另一端與c1、cs1、lr1的一端連接，同時與s1的漏極、d1的陰極連接，s1的源極與s2的源極、d2的陽極連接，s2的漏極與d2的陰極連接，同時與ui的另一端、cs2、lr2、c2的一端連接，lr1的另一端與d01的陽極、d03的陰極連接，d01的陰極與d02的陰極、s5的漏極、cr1的一端連接，s5的源極與d03的陽極、d04的陽極、cr1的另一端連接，lr2的另一端與d05的陽極、d07的陰極連接，d05的陰極與d06的陰極、s6的漏極、cr2的一端連接，s6的源極與d07的陽極、d08的陽極、cr2的另一端連接，c1的另一端與d06的陽極、d08的陰極、cs2的另一端連接，同時與s3的漏極連接、lo的一端連接，c2的另一端與d02的陽極、d04的陰極、cs2的另一端連接，同時與s4的漏極連接，s3的漏極與d3的陰極連接，s3的源極與d3的陽極、s4的源極連接，s4的源極與d4的陽極連接，s4的漏極與d4的陰極連接，lo的另一端與c、r的一端連接，c、r的另一端都與s4的漏極連接。該圖實例表明，此三電平電路的電路結構滿足cuk型電路基本結構，兩個單管雙向開關管x型互錯于c1、c2兩電容間電路中，元器件數量較少，結構簡單，且存在對稱結構，在輸入電源的正負半周期可實現對稱控制，控制方式簡單。

圖2所示實施例表明，本發明一種單相x型互錯式三電平交流調壓電路的主電路調壓變換工作過程原理圖，其中圖(i)為模態(i)時的四個開關模式圖，此模態下電容c1左端為正，電容c2右端為正。圖(a)為開關模式1：s5導通，其余關斷。電源ui、li、d01、s5、d04、c2構成的回路，電容c1、d01、s5、d04、r、lo構成的回路。圖(b)為開關模式2：s1導通，其余關斷。電源ui、li、s1、d2構成的回路，電容c1、s1、d2、c2、r、lo構成的回路。圖(c)為開關模式3：s6導通，其余關斷。電源ui、li、c1、d06、s6、d07構成的回路，電容c2、r、lo、d06、s6、d07構成的回路。圖(d)為開關模式4：s3導通，其余關斷。電源ui、li、c1、s3、d4、c2構成的回路，電感lo、s3、d4、r構成的回路。圖(ii)為模態(ii)時的四個開關模式，此模態下電容c1右端為正，電容c2左端為正。圖(e)為開關模式1：s6導通，其余關斷。電源ui、d05、s6、d08、c1、li構成的回路，電容c2、d05、s6、d08、lo、r構成的回路。圖(f)為開關模式2：s2導通，其余關斷。電源ui、s2、d1、li構成的回路，電容c1、c2通過c1、lo、r、c2、s2、d1構成的回路。圖(g)為開關模式3：s5導通，其余關斷。電源ui、c2、d02、s5、d03、li構成的回路，電容c1、lo、r、d02、s5、d03構成的回路。圖(h)為開關模式4：s4導通，其余關斷。電源ui、c2、s4、d3、c1、li構成的回路，電感lo、r、s4、d3構成的回路。

圖3所示實施例表明，本發明一種單相x型互錯式三電平交流調壓電路的開關管s5、s6的clc緩沖保護電路，包含一個電感lr、兩個電容cs、cr。電路中的電容cs一端與電感lr一端連接，電感lr另一端與d01(d05)的陽極、d03(d07)的陰極連接，d01(d05)的陰極接開關管s5(s6)的漏極、d02(d06)的陰極、電容cr的一端，s5(s6)的源極接d03(d07)的陽極、d04(d08)的陽極、電容cr的另一端，d04(d08)的陰極接d02(d06)的陽極、電容cs的另一端。clc電路與單管雙向開關管中的二極管結合，實現變換電路中開關管的零開斷。對于其他buck、boost、buck-boost等交流直接變換電路中應用到單管雙向開關管的電路同樣適用。