單極性移相控制電壓源高頻交流環(huán)節(jié)AC/AC變換器研究

陳道煉,  李磊,  張海濤,  潘海朗

(南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 南京 210016)

    摘  要：該文首次提出并深入研究了基于正激Forward變換器的單極性移相控制電壓源高頻交流環(huán)節(jié)AC/AC變換器。這類變換器由輸入周波變換器、高頻變壓器、輸出周波變換器、以及輸入、輸出濾波器構(gòu)成。輸入周波變換器將輸入不穩(wěn)定劣質(zhì)的交流電壓調(diào)制成雙極性三態(tài)的高頻交流電壓, 輸出周波變換器將此高頻交流電壓解調(diào)成單極性三態(tài)SPWM波，經(jīng)輸出濾波后得到穩(wěn)定優(yōu)質(zhì)的正弦交流電壓。通過(guò)輸入周波變換器右橋臂相對(duì)左橋臂的移相，讓輸出周波變換器功率開(kāi)關(guān)在輸入周波變換器輸出的高頻交流電壓為零期間進(jìn)行換流，并借助輸出周波變換器換流重疊和輸入電壓極性選擇，從而實(shí)現(xiàn)了變壓器漏感能量和輸出濾波電感電流的自然換流、輸出周波變換器的ZVS 開(kāi)關(guān)。詳細(xì)分析了這類變換器在1個(gè)高頻開(kāi)關(guān)周期內(nèi)的12個(gè)工作模式及其等效電路，獲得了變換器外特性曲線與關(guān)鍵電路參數(shù)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。原理試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了這類變換器新概念，為實(shí)現(xiàn)新型電子變壓器、正弦交流穩(wěn)壓器和交流調(diào)壓器奠定了基礎(chǔ)。
        關(guān)鍵詞：高頻交流環(huán)節(jié)；AC/AC變換器；單極性移相控制；周波變換器；軟換流；電力電子

1  引言
    電力電子研究人員對(duì)AC/AC變換技術(shù)的研究主要局限于交流負(fù)載與交流電網(wǎng)無(wú)電氣隔離的AC/AC變換器(晶閘管相控變頻器、矩陣變換器^[1]) 和交-直-交型高頻環(huán)節(jié)AC/DC/AC變換器。因此，開(kāi)展交流負(fù)載與交流電網(wǎng)有高頻電氣隔離的AC/AC變換技術(shù)的研究，對(duì)實(shí)現(xiàn)新型正弦交流穩(wěn)壓器、電子變壓器和交流調(diào)壓器具有重要意義。
    新穎的基于Forward變換器的電壓源高頻交流環(huán)節(jié)AC/AC變換器電路結(jié)構(gòu)由輸入周波變換器、高頻變壓器、輸出周波變換器以及輸入、輸出濾波器構(gòu)成。該電路拓?fù)渥澹▎握な?、并?lián)交錯(cuò)正激式、推挽全波式、推挽橋式、半橋全波式、半橋橋式、全橋全波式和全橋橋式電路，其中全橋全波式、全橋橋式電路拓?fù)?，如圖1所示。

    對(duì)這類變換器的雙極性移相控制策略已進(jìn)行深入研究并有了結(jié)論^[2,3]。本文提出并深入研究了單極性移相控制策電壓源高頻交流環(huán)節(jié)AC/DC變換器.
2 單極性移相控制原理
       單極性移相控制原理，如圖2所示。輸入周波變換器將輸入電壓u_i調(diào)制成雙極性三態(tài)的電壓波u_N1, 輸出周波變換器將此電壓波解調(diào)成單極性SPWM波，經(jīng)輸出濾波后得到正弦電壓u_o。輸出周波變換器功率開(kāi)關(guān)是在u_N1為零期間進(jìn)行換流的，實(shí)現(xiàn)了ZVS 開(kāi)關(guān)。輸入周波變換器右橋臂相對(duì)左橋臂存在移相角q，而且輸出濾波器前端電壓為單極性SPWM波，故為單極性移相控制。S_1a(S_1b)與S_4a(S_4b)、S_2a(S_2b)與S_3a(S_3b)之間在1個(gè)開(kāi)關(guān)周期T_s內(nèi)的共同導(dǎo)通時(shí)間為

通過(guò)調(diào)節(jié)移相角q 可實(shí)現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定。

3  穩(wěn)態(tài)原理與外特性
3.1 穩(wěn)態(tài)原理
    這里僅分析u_o>0, i_Lf>0時(shí)1個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)穩(wěn)態(tài)工作情況, 有12個(gè)工作模式，其穩(wěn)態(tài)原理波形和開(kāi)關(guān)過(guò)程等效電路如圖3、4所示。

流通，u_DC為零，如圖4(d)所示。此時(shí)，變壓器副邊漏感上的能量轉(zhuǎn)移到功率開(kāi)關(guān)S_5a結(jié)電容上，由于變壓器上電壓為零，因此不會(huì)引起輸出周波變換器功率開(kāi)關(guān)的電壓過(guò)沖現(xiàn)象。

周期。

3.2 輸出電壓與濾波電感電流的定量表達(dá)式
       由上述分析可知，穩(wěn)態(tài)工作且輸出濾波電感電流連續(xù)時(shí)，1個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)2種等效電路，如圖5所示。其中r為包括變壓器繞阻電阻、漏抗、功率開(kāi)關(guān)通態(tài)電阻、濾波電感寄生電阻等在內(nèi)的等效電阻。

    在1個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)輸出電壓u_o可看成恒定量, 圖5(a)所示等效電路的狀態(tài)方程為


式(6)、(7)中D為濾波器前端電壓在1個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)的占空比，即D=2T_com/T_s=(180^o-q)/ 180^o。
3.3 穩(wěn)態(tài)時(shí)變換器外特性
       由式(7)可知，理想情形(r=0)且CCM時(shí)變換器的外特性為

由式(10)可知，當(dāng)D=1/2時(shí)，I_G達(dá)到最大值，即

輸出負(fù)載電流為

    實(shí)際情形(r≠0)時(shí)，變換器外特性可由式(6)表示。變換器標(biāo)幺外特性U_o/(U_iN₂/N₁)=f(I_o/I_omax)，如圖6所示。曲線A為臨界CCM時(shí)外特性曲線，由式(12)決定；曲線A右邊為濾波電感電流CCM時(shí)外特性曲線，實(shí)線為理想情形時(shí)曲線，由式(8)決定，虛線為實(shí)際情形時(shí)曲線，由式(7)決定；曲線A左邊為DCM時(shí)外特性曲線，由式(17)決定。

4 原理試驗(yàn)
       設(shè)計(jì)實(shí)例：輸入電壓U_i=220V±10%（50Hz），輸出電壓U_o=220V(50Hz)；開(kāi)關(guān)頻率F_s=50kHz；變壓器匝比為N₁/N₂/N₂=14/18/18、磁芯選用鐵氧體PM74；濾波電感L_f=0.15mH; C_f=4mF。
    這類變換器原理試驗(yàn)波形，如圖7所示。
    試驗(yàn)結(jié)果表明：① 變壓器原邊繞組電壓為單極性三態(tài)的高頻交流電壓波；② 輸出周波變換器功率開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)了ZVS開(kāi)關(guān); ③ 輸出濾波器前端電壓為單極性SPWM波，頻譜特性好；④ 輸出電壓波形失真度低。試驗(yàn)結(jié)果與理論分析一致。

5 結(jié)論
   （1）單極性移相控制電壓源高頻交流環(huán)節(jié)AC/AC變換器具有高頻電氣隔離、電路拓?fù)浜?jiǎn)潔、兩級(jí)功率變換、功率密度高、雙向功率流、輸出周波變換器實(shí)現(xiàn)了ZVS換流、輸出濾波器前端電壓為單極性SPWM波、音頻噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，與這類變換器雙極性移相控制相比，該變換器輸出頻譜特性更優(yōu)、輸出濾波器更小、工程實(shí)現(xiàn)更容易；
   （2）在1個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)有12種工作模式；
   （3）獲得了變換器外特性曲線以及關(guān)鍵電路參數(shù)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則；
   （4）原理試驗(yàn)結(jié)果與理論分析一致。

參考文獻(xiàn)

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