夏烈，胡文斌，徐高晶

（1.中國電力科學(xué)研究院，江蘇南京211106；2.南京理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，江蘇南京210094；3.南京南瑞太陽能科技有限公司，江蘇南京210009）

一種Buck型高頻隔離三電平逆變器

夏烈1，胡文斌2，徐高晶3

（1.中國電力科學(xué)研究院，江蘇南京211106；2.南京理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，江蘇南京210094；3.南京南瑞太陽能科技有限公司，江蘇南京210009）

針對傳統(tǒng)Buck型高頻隔離兩電平逆變器在高壓大功率場合中開關(guān)管電壓應(yīng)力大的不足，研究并設(shè)計(jì)了一種Buck型高頻隔離三電平逆變器。該Buck型三電平逆變器電路拓?fù)渚哂泄β书_關(guān)管電壓應(yīng)力小，輸出交流電壓波形質(zhì)量好，諧波含量少等特點(diǎn)。在提出逆變器拓?fù)涞幕A(chǔ)上，對其工作原理進(jìn)行了詳細(xì)的敘述，并設(shè)計(jì)了基于電壓瞬時(shí)值反饋的閉環(huán)控制策略。該控制策略可以很快地響應(yīng)輸入電壓與輸出電壓的變化。最后基于Saber搭建仿真模型仿真驗(yàn)證拓?fù)涞恼_性，并在實(shí)驗(yàn)室制作了一臺(tái)1kW的樣機(jī)，對理論分析結(jié)果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該Buck型高頻隔離三電平逆變器的正確性和實(shí)用性。

Buck；高頻隔離；三電平；逆變器

1 引言

在中壓、高壓大容量變頻調(diào)速器和有源電力濾波器大量應(yīng)用的促使下，多電平逆變技術(shù)已成為當(dāng)前電力電子變換技術(shù)中重要的研究熱點(diǎn)而倍受人們關(guān)注［1］。半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展也對多電平技術(shù)提供技術(shù)上的支持［2-3］。

目前國內(nèi)外學(xué)者對于多電平逆變器的研究，主要在階梯波合成逆變器［1，4］，對于高頻隔離式多電平逆變器的研究則非常少，且主要局限在直-交-直-交型具有3級功率變換的高頻環(huán)節(jié)逆變器［5］。

本文在傳統(tǒng)Buck型兩電平逆變電路結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，引入二極管鉗位多電平技術(shù)，提出了一種Buck型高頻隔離三電平逆變器。和傳統(tǒng)的兩電平逆變器相比，該Buck型三電平逆變器可以在輸出濾波電感前端獲得三電平電壓波形，提高了輸出電壓波形質(zhì)量，同時(shí)減小開關(guān)管承受的電壓應(yīng)力［6-7］。使其能在更高輸入電壓、更大功率的場合使用，具有良好的應(yīng)用前景。

2 電路結(jié)構(gòu)

Buck高頻隔離三電平逆變器可看作是在傳統(tǒng)Buck逆變器基礎(chǔ)上，在輸入側(cè)引入2個(gè)電容串聯(lián)于輸入電壓源兩端，以作鉗位電壓源之用。通過控制電路控制不同開關(guān)管的通斷，可以在變壓器前端分別獲得Ui，Ui/2，0 3種電平。

該逆變器拓?fù)淙鐖D1所示，由輸入直流電壓源、輸入分壓電容、Buck型三電平變換單元、高頻隔離式變壓器、周波變換器和輸出負(fù)載組成。其中Buck型三電平變換單元由2個(gè)橋臂組成，當(dāng)一個(gè)橋臂的功率開關(guān)管工作時(shí)，另外一個(gè)橋臂的功率開關(guān)管電壓應(yīng)力被二極管鉗位在輸入分壓電容的兩端，因此能減小開關(guān)管電壓應(yīng)力，同時(shí)2個(gè)橋臂輪流工作，確保變壓器不出現(xiàn)磁飽和現(xiàn)象。該電路還具有結(jié)構(gòu)簡單，功率密度高，輸出濾波器體積小，能將輸出直流電源變換成穩(wěn)定優(yōu)質(zhì)的交流電等優(yōu)點(diǎn)。

圖1 Buck型高頻隔離三電平逆變器拓?fù)鋱DFig.1 Buck-mode high frequency isolation three-level inverter topology

3 控制策略

Buck型高頻隔離三電平逆變器采用基于電壓瞬時(shí)值反饋控制的SPWM方案［5-7］，該控制原理如圖2所示。將Buck型三電平逆變器輸出的正弦交流電壓Uo的采樣信號Uof與基準(zhǔn)正弦信號Ur（和電網(wǎng)電壓同步）相比較，并經(jīng)過誤差放大器后便能得到誤差放大信號Ue，將該誤差放大信號通過絕對值電路后，分別與鋸齒波Sw1，Sw2相比較，得到SPWM信號Uhf1，Uhf2，將SPWM信號Uhf1通過D觸發(fā)器二分頻后與輸入電壓極性信號Usy，SPWM信號Uhf1及Uhf2通過一系列邏輯門電路后便能得到各開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號，再通過驅(qū)動(dòng)電路使得開關(guān)管工作。

圖2 電壓瞬時(shí)值反饋控制Fig.2 Voltage instantaneous value feedback control

4 工作模式及穩(wěn)態(tài)分析

4.1 工作模態(tài)

在分析原理前，作以下假設(shè)：

1）電路中所有元器件均是理想器件，并且電源內(nèi)阻為零；

2）選取同樣規(guī)格參數(shù)的C1，C2，且C1=C2。

當(dāng)負(fù)載為阻性負(fù)載時(shí)，在一個(gè)輸出周期內(nèi)，開關(guān)管有12個(gè)工作模態(tài)，在輸出電壓正半周期與負(fù)半周期相比，僅僅是全波式周波變換器2個(gè)4象限功率開關(guān)管的工作模式相互調(diào)換。因此簡化分析輸出正半周期內(nèi)開關(guān)管6種工作模態(tài)，如圖3所示。

圖3a所示的工作模式A，開關(guān)管S1，S4，S5開通，其余斷開，原邊電流iN1經(jīng)S1，S4流通，濾波電感電流iLf流經(jīng)S5和二極管D8，給負(fù)載供電，同時(shí)給濾波電容充電，此時(shí)變壓器副邊電流不斷增加。由此可得輸出濾波電感前端電壓關(guān)系式：UAB=(N3/N1)Ui。

圖3b所示的工作模式B，開關(guān)管S4，S7開通，其余斷開，原邊電流iN1經(jīng)D5，S4流通，濾波電感電流iLf流經(jīng)S5和二極管D8，此時(shí)變壓器副邊電流繼續(xù)增加。由此可得輸出濾波電感前端電壓關(guān)系式：UAB=(N3/2N1)Ui。

圖3 工作模式圖Fig.3 Work mode

圖3c所示的工作模式C，開關(guān)管S5，S8開通，其余斷開，濾波電感電流iLf經(jīng)S5，二極管D8，S8和二極管續(xù)流，但是流經(jīng)S5、二極管D8的電流會(huì)逐漸減小，而流經(jīng)S8、二極管D9的電流則逐漸增大，從而實(shí)現(xiàn)了電流在2個(gè)雙向開關(guān)管之間的換流。該模式下高頻隔離變壓器原邊繞組側(cè)輸出電壓UN1和UN2都為0，通過分析工作原理可以得到輸出濾波電感前端電壓UAB=0，這樣可以防止周波變換器在換流重疊期間發(fā)生電流環(huán)流現(xiàn)象［7］。工作模式F與圖3c的工作模式C相似，僅是電流流向不同，因此不再贅述。

圖3d所示的工作模式D，開關(guān)管S3，S2，S7開通，其余截止，原邊電流iN1流經(jīng)S3，S2，濾波電感電流iLf經(jīng)S7和二極管D10流通，此時(shí)流經(jīng)變壓器副邊的電流逐漸增大。由此可得輸出濾波電感前端電壓關(guān)系式：UAB=(N3/N1)Ui。

圖3e所示的工作模式E，開關(guān)管S3，S7開通其余截止，原邊電流iN1流經(jīng)S3和二極管D6，濾波電感電流iLf流經(jīng)S7和二極管D10，此時(shí)變壓器副邊電流繼續(xù)增加。由此可得輸出濾波電感前端電壓關(guān)系式：UAB=(N3/2N1)Ui。

4.2 逆變器穩(wěn)態(tài)外特性

圖4為輸出的濾波電感電流iLf分別工作在臨界CCM和DCM時(shí)一個(gè)高頻開關(guān)周期內(nèi)的電流波形。

圖4DCM模式和臨界CCM模式時(shí)一個(gè)高頻開關(guān)周期內(nèi)iLf波形Fig.4 Filter inductive current waveforms in critically DCM and CCM during one switching period

由推導(dǎo)可得出變換器狀態(tài)變量的穩(wěn)態(tài)值：

理想情形（變壓器繞組等效電路為0，忽略開關(guān)管電壓降），且輸出濾波電感電流連續(xù)時(shí)逆變器外特性為

令臨界連續(xù)時(shí)的負(fù)載電流為IG，由面積等效原理可得：

簡化分析，令D=2D1，得：

考慮到變換器工作時(shí)能滿足磁復(fù)位的條件有D≤0.5，所以當(dāng)D=0.5時(shí)，IG取得最大值，即

故理想情形且濾波電感電流臨界連續(xù)時(shí)逆變器的外特性為

令理想情形且濾波電感電流斷續(xù)時(shí)的負(fù)載電流為Io，由面積等效原理可得此時(shí)變換器外特性為

通過上述分析可得，Buck型三電平逆變器的標(biāo)幺外特性關(guān)系為

圖5中曲線A為濾波電感電流臨界連續(xù)時(shí)外特性曲線，由式（7）決定；曲線A右邊為濾波電感電流連續(xù)時(shí)外特性曲線，實(shí)線為理想情形時(shí)曲線，由式（3）決定?？梢钥闯霎?dāng)變換器工作在理想CCM模式時(shí)，輸出電壓的大小與輸出電流大小無關(guān)，有類電壓源特性。虛線為實(shí)際情形時(shí)曲線，由式（1）決定，可見隨著負(fù)載電流的逐漸增加，輸出電壓逐漸減??；曲線A左邊為濾波電感電流斷續(xù)時(shí)外特性曲線，由式（8）決定，當(dāng)變換器工作于DCM模式時(shí)，變換器存在很高的非線性內(nèi)阻，有類電流源特性。

圖5 變換器標(biāo)幺化的輸出特性Fig.5 Normalized output characteristics of the inverter

4.3 與傳統(tǒng)Buck型逆變器比較

假定滿足以下條件：輸入輸出電壓值相等、輸出濾波電感電流脈動(dòng)頻率及脈動(dòng)幅值相等、高頻隔離變壓器匝比相等、輸出電容兩端電壓紋波相等。

傳統(tǒng)Buck型逆變器從輸入側(cè)看，功率開關(guān)管的電壓應(yīng)力為(1+N2/N1)Ui［5，8］，而Buck型高頻隔離三電平逆變器功率開關(guān)管S1，S4所承受電壓應(yīng)力只有1/2Ui，功率開關(guān)管S2，S3電壓應(yīng)力為(1/2+N2/N1)Ui?？梢钥闯鲭m然開關(guān)管數(shù)量增加了，但是每只開關(guān)管的電壓應(yīng)力低，且1/2Ui+(1/2+N2/N1)Ui=(1+N2/N1)Ui，達(dá)到了用2只承受電壓應(yīng)力較小的開關(guān)管取代1只承受電壓應(yīng)力較大的開關(guān)管的作用，這在高壓輸入的逆變場合具有良好的運(yùn)用前景。

5 仿真分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

5.1 仿真分析

在理論分析的基礎(chǔ)上，基于Saber搭建Buck型高頻隔離三電平逆變器的模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證。仿真參數(shù)：Ui=200 V，S=1kV·A，開關(guān)頻率為50 kHz，N1:N2:N3:N4=6:6:31:31，所有主功率開關(guān)管的占空比D均小于或等于0.5，Lf= 220μH，Cf=40μF，RL=48Ω。仿真結(jié)果見圖6。

圖6 仿真結(jié)果Fig.6 Simulation results

通過Saber仿真分析及實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出以下3個(gè)結(jié)論。

1）輸出電壓波形質(zhì)量好，紋波諧波電壓比較小，通過傅里葉級數(shù)分析得出其ΤHD=1.366%。從仿真結(jié)果可以看出輸出電壓主要為基波分量，存在少量的諧波。

2）輸出濾波器的前端可以獲得3個(gè)電平，減小了功率開關(guān)管的電壓應(yīng)力，主功率開關(guān)管應(yīng)力減小了Ui/2。

3）從仿真分析與理論分析的一致性可以證明該拓?fù)涞恼_性和實(shí)用性。該逆變器拓?fù)浜啙?，具有雙向功率流，輸出濾波器體積較傳統(tǒng)Buck逆變器更小，適合應(yīng)用于更高電壓、更大功率的場合。

5.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證拓?fù)湔_性的基礎(chǔ)上，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下制作了一臺(tái)1kW的樣機(jī)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。樣機(jī)參數(shù)：變壓器選取LP3材料的磁芯PM74，兩原繞組和兩副邊繞組分別為6匝、6匝、31匝和 31匝，功率開關(guān)管 S1，S4選用FQA40N25，功率開關(guān)管S2，S3選用IRFP460，輸出全波式周波變換器部分功率開關(guān)管均選用C2M0080120D。

以輸出電阻性負(fù)載為例，樣機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 實(shí)驗(yàn)波形Fig.7 Experimental waveforms

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，Buck型三電平逆變器輸出220 V交流標(biāo)準(zhǔn)正弦波，電壓紋波和電流紋波都很小，開關(guān)管電壓應(yīng)力及濾波器的前端電壓均滿足理論及仿真分析。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以看出功率開關(guān)管電壓應(yīng)力得以減小，設(shè)計(jì)目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)。

6 結(jié)論

本文提出并研究了一種Buck型高頻隔離三電平逆變器，并對所提出拓?fù)涞墓ぷ髟?、變換器外特性進(jìn)行了分析，在理論基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了基于電壓瞬時(shí)反饋控制的SPWM控制策略。

基于Saber仿真分析和樣機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果均體現(xiàn)了該逆變器可以獲得質(zhì)量良好的輸出交流電壓波形，且其動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，負(fù)載的適應(yīng)強(qiáng)，輸出電壓波形中諧波含量很少。

在輸入與輸出都相同的情況下，該Buck型三電平逆變器開關(guān)管電壓應(yīng)力比傳統(tǒng)Buck型逆變器小，且一個(gè)橋臂上2只功率開關(guān)管所承受的電壓應(yīng)力之和與傳統(tǒng)一只功率開關(guān)管所承受電壓應(yīng)力大小相同，因此拓寬了開關(guān)管選取范圍，在更高輸入電壓、更大功率的場合具有良好的應(yīng)用前景。

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Buck-mode High Frequency Isolation Three-level Inverter

XIA Lie1，HU Wen-bin2，XU Gao-jing3
（1.China Electric Power Research Institute，Nanjing 211106，Jiangsu，China；2.School of Automation，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，Jiangsu，China；3.Nanjing Nari Solar Energy Technology Co.，Ltd.，Nanjing 210009，Jiangsu，China）

In order to solve the problems that high voltage stress existed in traditional Buck high frequency isolated two-level inverter in the field of high power a kind of Buck high frequency isolated three-level inverter was designed.The topology of inverter has advantages such as low voltage stresses，high wave quality of output voltage and little harmonic wave.The working principle of inverter and control policy which is based on the feedback of voltage instantaneous value were also investigated.The control policy can respond fast to the change of input and output voltage.Finally a simulation model which is based on saber was set up to prove the correctness of topology.A model machine of 1kW was made in laboratory to prove the theoretical analysis.The results prove the correctness and practicality of Buck high frequency isolated three-level inverter.

Buck；high frequency isolation；three-level；inverter

TM46

A

2014-04-16

修改稿日期：2014-05-28

夏烈（1983-），男，碩士研究生，工程師，Email：xialie@epri.sgcc.com.cn