房緒鵬,徐 飛,許玉林,李昊舒

(山東科技大學電氣與自動化學院,山東 青島 266590)

新型單相電壓型準阻抗源AC-AC變換器*

房緒鵬*,徐 飛,許玉林,李昊舒

(山東科技大學電氣與自動化學院,山東 青島 266590)

給出一種新型的電壓型準阻抗源AC-AC變換電路,分析了電路的基本結構和工作原理。這種電路拓撲由大升壓比阻抗網(wǎng)絡和單相LC濾波器依序級聯(lián)構成,大升壓比阻抗網(wǎng)絡是由儲能電感L1和依序級聯(lián)的2個相同的SLCC型二端口阻抗網(wǎng)絡單元串聯(lián)構成。采用脈沖寬度調制法對電路進行控制從而改變輸出電壓,利用電感伏秒特性,用MATLAB/Simulink對電路仿真,最后在仿真結果的基礎上用TMS320F2812搭建出實驗電路,實驗結果和仿真結果共同驗證了電路結構的可靠性和正確性。

電力電子;新型單相變壓器;阻抗網(wǎng)絡;伏秒平衡;PWM

傳統(tǒng)阻抗源變換器的理論日漸成熟,準阻抗源變換器是阻抗源變換器理論和電路拓撲的一個新的研究熱點[1-2]。準阻抗源變換器可以克服傳統(tǒng)阻抗源變換器的很多缺陷,如在電壓型電路中,準阻抗源網(wǎng)絡電容器電壓相對于阻抗源網(wǎng)絡就低很多;在電流型電路中,準阻抗源網(wǎng)絡電感電流相較于阻抗源網(wǎng)絡電感電流較小等。準阻抗源變換器既可以應用在整流功率變換以及逆變,也可以用于交流調壓場合和直流斬波[3-5]。在只需要改變電壓大小的情況下,準阻抗源交流調壓器可以作為一個很好的選擇[6]。

準阻抗源交流變換器的電壓增益在理論上可以達到零乃至無窮大,但在實際的應用當中,輸入電壓較低時,為了得到想要的輸出電壓幅值,必須增大占空比D,就會使準阻抗源網(wǎng)絡的儲能電容電壓較大[7-9]。

在準Z源變換器的基礎上[10-12]提出和深入分析了一種新型的適用于較低輸入電壓場合的單相電壓型準阻抗源交流變換器,這類變換器既保留了準阻抗源交流變換器電路拓撲優(yōu)點,同時還能拓寬輸入電壓的變化范圍,降低功率開關和阻抗源網(wǎng)絡中儲能電容的電壓應力[13]。文章介紹了這類新型電壓型準阻抗源交流變換器的電路拓撲結構,分析了工作原理,并通過仿真和實驗結果驗證了理論分析。

1 新型準阻抗源的電路結構和工作原理

新型準阻抗源交流變換器電路拓撲如圖1所示,該網(wǎng)絡拓撲由大升壓比阻抗網(wǎng)絡將輸入、輸出連接起來,大升壓比準阻抗源網(wǎng)絡起到儲能和濾波的作用,其中大升壓比阻抗網(wǎng)絡由儲能電感,全控型開關S,電感L以及電容C組成,全控型開關由電力MOSFET或IGBT和反并聯(lián)二極管面對面進行串聯(lián)組成雙向開關,通過對三組全控型開關采用PWM信號控制。

圖1 新型準阻抗源AC/AC電路

圖2 準阻抗源交流-交流變換器的5種工作狀態(tài)

圖1所示的新型準阻抗源交流變換電路用互補的PWM脈沖作為控制信號,將S1和S2看做一大組開關,將S3看做一大組開關,1個開關周期內兩大組功率開關管互補導通,新型準阻抗源網(wǎng)絡輸出電壓V0的大小是根據(jù)不同占空比D下電容器和電感儲能的多少來控制的。因為輸入電源的頻率遠遠小于開關頻率fs,所以分析電路時輸入電壓可看做直流。新型準阻抗源交流變換器根據(jù)不同的電流方向有以下5種工作狀態(tài):

工作狀態(tài)1 如圖2(a)所示,開關S1和S2同時關斷,S3導通,共有4個電壓回路,輸入電壓Vi、電容器C2和電容C4給電感L1充電,電容器C1電容C4給電感L2充電,電容C3給電感L3充電,電感Lf給負載供電,此時有

vL1=vc2+vc4+vi,vL2=vc4+vc1,vL3=vc3,v0=-vLf

(1)

工作狀態(tài)2 如圖2(b),開關S1和S2同時關斷,S3導通,在狀態(tài)1時,ILf遞減到零時電容器Cf會向電感Lf充電,電感電流將反向遞增,和狀態(tài)1下的電壓關系式相同。

工作狀態(tài)3 如圖2(c),開關S1和S2同時導通,S3關斷,若此時ILf反向電流,Lf會向大升壓比準阻抗源網(wǎng)絡反饋能量,此時電源電壓Vi和電感L1給電容器C1充電,電感L2給電容器C2充電,電感L3給電容C4充電,同時Vi、L1、L2、L3給負載供電,電路的電壓關系有

vc1=vi-vL1,vc2=-vL2,vc4=-vL3,vL1+vL2

=vi-vC3,vL3+vLf+vo-vC3=0

(2)

工作狀態(tài)4 如圖2(d),開關S3關斷,S1和S2同時導通,大升壓比準阻抗源網(wǎng)絡的工作狀態(tài)與狀態(tài)3類似,但此時ILf正向流動,Vi和L1,L2,L3給負載供電,大升壓比準阻抗源網(wǎng)絡的電感電流將會遞減。

工作狀態(tài)5 如圖2(e),同狀態(tài)4,網(wǎng)絡的電感電流遞減至ILf時,負載由網(wǎng)絡電容器供電,電壓關系在S3關斷,S1和S2同時導通條件下仍成立。

上述5種工作狀態(tài),分別工作在兩大組雙向開關互補的條件下,且每種開關狀態(tài)下回路的電壓關系相同,所以在輸入電流連續(xù)時電路的工作方式總體可分為2種,也就是狀態(tài)1和狀態(tài)4做為基本工作模式的工作狀態(tài),這兩種工作狀態(tài)是1個周期的穩(wěn)定工作狀態(tài)。

通過對上面工作狀態(tài)的分析,令D做為S3開通的占空比,Ts做為開關周期,DTs作為S3的導通時間為,(1-D)Ts作為S1和S2同時導通的時間,1個電源周期內電感L1,L2和L3的電壓為零,結合式(1)、式(2)中開關狀態(tài)下的電壓關系可得

(3)

(4)

(5)

(6)

在1個開關周期內電容器電壓近似保持不變可得

(7)

(8)

(9)

(10)

由上面等式可以得到

-vi+(1-D)vc1-Dvc2-Dvc4=0

(11)

-Dvc1+(1-D)vc2-Dvc4=0

(12)

-Dvc3+(1-D)vc4=0

(13)

Dvc1+Dvc2-(1-D)vc3+2Dvc4+vi=0

(14)

可推導出電容器電壓和Vi有如下關系

(15)

1個電源周期內電感Lf的電壓平均值為零,得

(16)

最后可得輸入和輸出的電壓關系如下

(17)

2 仿真驗證

在MATLAB/Simulink下給出了系統(tǒng)仿真結果,仿真參數(shù)為L1=L2=L3=100 μH,C1=C2=C3=C4=25 μF,Lf=1 mH,Cf=50 μF,R=100 Ω,fs=20 kHz,Vi=24 V。分別給出了D=0.4和D=0.6時仿真的升壓和降壓的波形,如圖3和圖4所示。

圖3 D=0.4輸入和輸出電壓波形

圖4 D=0.6輸入和輸出電壓波形

圖5 實驗電路連接圖

3 實驗結果

按仿真結果搭建出實驗電路,控制電路部分采用TMS320F2812產生出互補的PWM信號,驅動部分采用落木源KA962D驅動板,主電路的全控型開關采用SGH80N60UFD Ultrafast IGBT,示波器測出了D=0.1和D=0.65時候的升壓和降壓波形(紅色為輸入,藍色為輸出),如圖6和圖7所示。

電路升壓時的波形如圖6所示(輸入、輸出20 V/格)。

電路降壓時的波形如圖7所示(輸入10 V/格,輸出5 V/格)。

實驗結果驗證了理論分析和計算機仿真結果的正確性。

圖6 D=0.1升壓波形

圖7 D=0.65降壓波形

4 結論

(1)介紹了一種新型的基于準阻抗源思想的交流變換電路,其拓撲是由大升壓比阻抗網(wǎng)絡和單相LC濾波器依序級聯(lián)構成,其中大升壓比阻抗網(wǎng)絡由儲能電感L1和依序級聯(lián)的2個相同的SLCC型二端口阻抗網(wǎng)絡單元串聯(lián)構成。

(2)深入分析了所提出的交流變壓器的電路結構,在一個高頻開關周期內的工作原理,并推導出電壓增益。

(3)通過仿真和實驗驗證了理論分析的正確性。實驗的過程中采用互補的PWM信號控制,但是對電路提供非互補控制信號時,如采用推挽式的工作模式,占空比不等于0.3時,大升壓比準阻抗源電路還有另外兩種狀態(tài),即所有的功率開關同時導通或同時關斷。

(4)這種大升壓比準阻抗源網(wǎng)絡同樣可應用于DC-DC變換的電路中,并交換輸入和輸出的位置,這種大升壓比準阻抗源電路還可實現(xiàn)功率流的雙向流動。

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Single-Phase Voltage-Fed Quasi Impedance Source AC-AC Converter*

FANGXupeng*,XUFei,XUYulin,LIHaoshu

(College of Electrical Engineering and Automation,Shandong University of Science and Technology,Qingdao Shandong 266590,China)

A new type of voltage-fed quasi impedance source AC-AC converter is presented,its circuit structure and working principle are analyzed.This kind of converter is cascade composed of impedance network with high voltage transmission ratio and single phase filter. The impedance network with high voltage transmission ratio is composed of energy storage inductanceL1and SLCC type with two ports impedance network units connected in cascade. The output voltage of the circuit is controlled by pulse width modulation method. Using the volt-second characteristics of the converter,the MATLAB/Simulink is used to perform the simulation for the ac converter circuit. The experimental circuit based on TMS320F2812 is built,both of the experimental results and simulation results verify the reliability and validity of the circuit.

power electronics;new type of single-phase converter;impedance network;Volt-second balance;PWM

項目來源:山東科技大學研究生教育創(chuàng)新計劃項目(2014BK023);山東省自然科學基金項目(ZR2009FM017);中國博士后科學基金項目(20090461254);山東省“泰山學者”建設工程專項經(jīng)費項目;山東科技大學科研創(chuàng)新團隊項目

2016-03-17 修改日期:2016-04-21

C:8350;1290B

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.02.040

TM423

A

1005-9490(2017)02-0467-04