（电力电子与电力传动专业论文）单级三电平交交变换器的研究.pdf

a b s t r a c t硕士论文 a b s t r a c t t h ec o n c e p to ft h r e e - l e v e li sl e di n t oa c a cc o n v e r t e rw h i c hh a v en o td cl i n ki nt h i s p a p e r as e r i e so fc i r c u i tt o p o l o g i e sw i t hi t si n p u ta n do u t p u tu n s h a r i n gt h es a m eg r o u n da r e p r o p o s e di n t h i sp a p e rw h i c hi n c l u d eb u c k , b o o s t , b u c k - b o o s t , c u k , s e p i ca n dz e t a s i n g l e - s t a g et h r e e l e v e l ( t l ) a c a cc o n v e r t e lt h o s ec o n v e r t e r s ，w h i c ha r es u i tf o rh i g h i n p u tv o l t a g ef i e l d ，h a v em a n ya d v a n t a g e ss u c ha sl o wv o l t a g es t r e s so ft h es w i t c h e s ， s i n g l e - s t a g ep o w e rc o n v e r s i o n ，t h r e e - l e v e lv o l t a g ew a v e f o r r n ，l o wt h do fo u t p u tv o l t a g e ， s t r o n gl o a da d a p t i n ga b i l i t y , e t c t h ev o l t a g es t r e s so fs w i t c h e so ft h o s ec o n v e r t e r si sh a l fo f t h a to ft w o - l e v e lc o n v e r t e lt h e nt h o s ec o n v e r t e r sa r ei m p r o v e d ，a n das e r i e so fc i r c u i t t o p o l o g i e sw i t hi t si n p u ta n do u t p u ts h a r i n gt h es a m eg r o u n da r ep r o p o s e d t h eo p e r a t i o np r i n c i p l eo ft h ec o n v e r t e ri s a n a l y z e d i nd e t a i l s t h ee x t e r n a l c h a r a c t e r i s t i co ft h i sc o n v e r t e ri sa n a l y z e di nc c mm o d ea n dd c mm o d e t h et r a n s i e n t v o l t a g eo fo u t p u ta n dt h et r a n s i e n tv o l t a g eo fb a l a n c ec a p a c i t o rd o u b l ef e e d b a c kc o n t r o l s t r a t e g yi si n v e s t i g a t e dw h i c hi sa p p l i c a b l et os i n g l e s t a g et la c a cc o n v e r t e r s p s p i c es i m u l a t i o no fb u c k b o o s ts i n g l e - s t a g et la c a cc o n v e r t e ri s g i v e n t h e c o r r e c t i o na n da d v a n c eo ft h ec o n v e r t e ra r ev e r i f i e db yp s p i c es i m u l a t i o n a n dt h e c o r r e c t i o no ft h ed o u b l ef e e d b a c kc o n t r o ls t r a t e g yi sa l s ov e r i f i e d t h ep r i n c i p l et e s to f b u c k - b o o s ts i n g l e - s t a g et la c a cc o n v e r t e ri sm a d e t h ep e r f o r m a n c e sa l ei n p u tv o l t a g e u i 2 2 2 0 1 0 v a c ( 5 0 h z ) ，o u t p u tv o l t a g eu o = 1 8 0 v a c ( o r2 4 0 v a c ) ( 5 0 h z ) ，t h er a t e d c a p a c i t ys = 5 0 0 v a ，s w i t c h i n gf r e q u e n c yf s = 5 0 k h z t h er e s u l to f t h ee x p e r i m e n ti sa n a l y z e d p r i n c i p l et e s tw a v e f o r m so ft w o - l e v e la n dt h r e e 1 e v e la c a cc o n v e r t e ra r ec o m p a r e d k e yw o r d ：t h r e e - l e v e lc o n v e r t e n a c a c c o n v e r t e r s ；t r a n s i e n tv o l t a g ec o n t r o l ； s i n g l e s t a g ep o w e rc o n v e r s i o n l l 硕士论文单级三电平交交变换器的研究 图表目录 图1 3 1 1 交交变频器结构_ 3 图1 3 1 2 三相桥式单相变频电路3 图1 3 1 3 三相输入到三相输出矩阵变换器电路结构示3 图1 3 2 1半桥p 肌嗄a c a c 变换器电路拓扑4 图1 3 2 2 交直交型低频环节a c a c 变换器电路拓扑4 图1 3 2 3 交直交型高频环节a c a c 变换器电路拓扑4 图2 1 1输入输出非共地的单级三电平交交变换器拓扑族9 图2 2 1加隔直电容的b u c k b o o s t 式单级三电平交交变换器拓扑1o 图2 2 2b u c k b o o s t 式单级三电平单级交交变换器拓扑的改进1 0 图2 2 3输入输出共地的b u c k b o o s t 式单级三电平交交变换器拓1 l 图2 2 4 输入输出共地的单级三电平交交变换器拓扑族1 3 图2 3 1变换器四种工作模式划分：1 3 图2 3 2当虬 0 和d 0 时电路四种开关模式1 4 图2 3 3 当。 时电路四种开关模式1 5 图2 3 4 当虬 0 时，电路工作于模式a ，能量由电源向负载传输，其中s l 、s 2 高频斩 波，s 3 、s 4 导通，s l s 4 关断。这个工作模式又分为四个开关模式：( a ) s l 导通，s 2 关 断；( b ) s l 、s 2 都导通；( c ) s l 关断，s 2 导通；( d ) s l 、s 2 均关断，如图2 3 2 所示： ( a ) 开关模式1 ( ”开关模式2 ( c ) 开关模式3 ( d ) 开关模式4 图2 3 2 当 o 和i o o 时电路四种开关模式 当甜。 o 时，电路工作于模式b ，能量由负载向电源回馈，此时s 3 、s 4 高频 斩控，s i 、s 2 导通，s i - s 4 关断，包括四个开关模式：( f 1 ) s 4 导通，s 3 关断；c o ) s 3 、s 4 均导通；( c ) s 4 关断，s 3 导通：( d ) s 3 、s 4 均关断，如图2 3 3 所示： 1 4 硕：上论文 单级三电平交交变换器的研究 ( a ) 开关模式1 ( b ) 开关模式2 c - ( c ) 开关模式3 u 。j ( d ) 开关模式4 图2 3 3 u o o 时电路四种开关模式 当材。 o ，i o 0 时，电路工作于模式c ，能量由电源向负载传输，其中s i 、s 2 高频 斩波，s 3 、s 4 导通，s i s 4 关断。分为四个开关模式：( a ) s l 导通，s 2 关断；( b ) s l 、s 2 都导通；( c ) s i 关断，s 2 导通；( d ) s l 、s 2 均关断，如图2 3 4 所示： 1 5 u m。i 1 6 t t m 1 u i ( a ) 开关模式1 ( b ) 开关模式2 ( c ) 开关模式3 ( d ) 开关模式4 图2 3 4 当 o 和 0 ，i o o 和屯 o 时电路四种开关模式 u 1 1 7 2 单级三电、f 交交变换器的拓扑结构及特性分析 硕士论文 2 4b u c k - b o o s t 式单级三电平交交变换器输入输出特性分析 当负载为阻性负载时，在输入电压为正半周中，s l 、s 2 斩控，s 3 、s 4 常通，s l 、 s 2 、s 3 、s 4 关断：在输入电压为负半周时，s l 、s 2 、s 3 、s 4 关断，s l 、s 2 斩控，s 3 、 s 4 常通。所以负半周时电路的工作状态类似与正半周。 当负载为感性或容性时，负载电流和电压的方向相同时，能量由电源向负载流动， 此时电路的工作状态与阻性负载类似：s l 、s 2 或s l 、s 2 斩控，s 3 、s 4 和s 3 、s 4 关 断或者常通：负载电流和电压的方向相反时，能量由负载向电源流动，此时可以将负载 视为虚拟电源，将电源视为虚拟负载，再注意到电路拓扑具有对称性，所以这种情况也 与阻性负载的工作状态类似，不同的是：s 3 、s 4 或s 3 、s 4 斩控，对应s l 、s 2 和s l 、 s 2 关断或者常通。 通过以上分析，电路的各种不同能量流向和正负半周的情况，均与输入电压为正半 周的阻性负载工作情况类似。所以下面以正半周的阻性负载为例，对电路进行特性分析。 根据电感电流的情况，又可以分为电感电流连续和电感电流断续两种情况。 2 4 1 电感电流连续时变换器的工作原理和基本关系 当开关管的占空比d 大于0 5 和小于0 5 时，变换器的工作模式有所不同下面分别 加以分析【i 引。 在分析之前作如下假设：所有开关管、二极管、电感、电容均为理想器件。 - ： s l ll ： i7 ! 一 s 2 i z 工 个硷 r 一 i u 加 屹 ， t 2 k t 1 口一u _ 2 t nt 1t 。t ( a ) d 0 5 硕士论文单级三电平交交变换器的研究 ： j ；l、 j i ； 一， li ! 、 代硷 ，一 i o i i t i i i ， l t 2t t o t l t 2t 3“ ( b ) d s 0 5 图2 4 i 1 电感电流连续时变换器的主要工作波形 当d 0 5 时，电感电流连续时变换器的主要工作波形如图2 4 1 1 ( a ) 所示。一个开 关周期内，变换器有四个开关模态。 ( 1 ) 开关模态1 ，t l 】。s l ，s 2 同时导通，s l 和s 2 所承受的电压应力均为+ _ 巧。 负载由输出滤波电容供电。输入电压全部加在中间储能电感上，三的电流线性增加， 其增长量为： 瓴小) = u i t li n - f o ) = 警( 乙一) = 警( d 一互1 ) ( 2 1 ) ( 2 ) 开关模态2 t l ，t 2 。t l 时刻关断s 2 ，s l 功率管上的电压应力为( + “。彳，电 感上的电压吮= ( 一”必，使屯线性下降，其下降量为： 馘一( _ ) ：华( 1 一d ) ( 2 2 ) ( 3 ) 开关模态3 h ，t 3 。t 2 时刻开通s 2 ，该模态与开关模态1 相同。 ( 4 ) 开关模态4 t 3 ，t d 。t 3 时刻关断s i ，工作情况与开关模态2 类似。 在稳态工作时，中间储能电感电流的增长量等于它的下降量，即： t h ( + ) = t 一日( 一) ( 2 3 ) 将式( 2 1 ) ，( 2 2 ) 代入( 2 3 ) 中，可以得到 磐：旦 ( 2 4 ) 1 一d 、7 当d 0 5 时，电感电流连续时变换器的主要工作波形如图2 4 1 1 ( b ) 所示。一个开 关周期内，变换器同样有四个开关模态。 & & t 一2 k u 墨 u 一 2 单级三电平交交变换器的拓扑结构及特性分析 硕士论文 ( 1 ) 开关模态l t o ，t l 】。s l 导通，s 2 截止，s l 功率管电压应力均为( 1 9 m + u o x ， = ( 一_ 巧，工的电流线性增加，其增长量为： t 一( + ) = 羔丝之夏孑( ，l 一，。) = 警。 ( 2 5 ) ( 2 ) 开关模态2 t i ，t 2 】。t l 时刻关断s l ，s l 和s 2 上的电压应力均为( u m + d o ) 2 。电 感三上的电压叱= - - , t o ，使毛线性下降，其下降量为： 州- ) = 警互1 _ d ) ( 2 6 ) ( 3 ) 开关模态3 t 2 ，t 3 。t 2 时刻开通s 2 ，该模态与开关模态l 类似，在此不再赘述。 ( 4 ) 开关模态4 t 3 ，t 4 。t 3 时刻关断s 2 ，工作情况与开关模态2 相同。 在稳态工作时，中间储能电感电流的增长量等于它的下降量，即： t 一( + ) = 五一( 一) ( 2 7 ) 将式( 2 5 ) ，( 2 6 ) 代入( 2 7 ) ，可以得到 ，v ，o ：之 ( 2 8 ) l d 、。 2 4 2 电感电流断续时变换器的工作原理和基本关系 如果中间储能电感较小或负载减轻，滤波电感电流将会断续。下面分d 0 5 和 d 0 5 两种情况讨论变换器在电感电流断续时的工作情况，如图2 4 2 1 所示【1 4 1 。 j j ： s l l、 j ， & i _， i l l 太矗， u 加 i ： ： 一 i i i l 屹 ii、 ， t 2t i i l l l l 口一u 由 i： 2 t ti1，t 。t t 。 ( a ) d 0 5 硕士论文 单级三电平交交变换器的研究 - ： ! j ：厂i - i ii i i j l，。 iiii ： ：i i， k i 娜0 冬、 i ； ! ： ： ： ： 一 ： l ii ! ；i；卜、：_j、 t 2 ii 士 7 ：l_j t ot lt 2 ；3 t 4t 5 ； ( b ) d 0 5 图2 4 2 1 电感电流断续时变换器的主要工作波形 当d 0 5 时，电感电流断续时变换器的主要工作波形如图2 4 2 i ( a ) 所示，以， t 3 】半个开关周期为例。 当s l 和s 2 同时导通时，丘，从零线性增加，其最大值为： l - m 。- h = 警( 一气) = 警峨一) = 警( d 一争l ( 2 9 ) 当只有s l 导通时，屯从l 一嘣一胃线性下降，并且在t 2 时刻下降到零，即 丘一一一片= 掣( f 2 一f 1 ) ( 2 1 0 ) 在 t 2 ，t 3 】时段，中间储能电感电流为零，负载由输出滤波电容供电，其等效电路如 图所示。 由式( 2 9 ) ，( 2 1 0 ) 可以得到 乞一= 生l 一( 2 d 一1 ) i ( 2 1 1 ) m d 一加 输出电流为【t l ，t 2 】时段中间储能电感电流在半个开关周期中的平均值，即： l 一日= ( 等) 。1 去t 眦一h ( f ：一f 1 ) ( 2 1 2 ) 将式( 2 9 ) 、( 2 1 1 ) 代入( 2 1 2 ) q b ，可得： 厶一日= 瓦u 。j t , ) l ( 2 。一l y ( 2 1 3 ) 当d 0 5 时，电感电流断续时变换器的主要工作波形如图2 4 2 1 ( b ) 所示，同样以 t o ，t 3 半个开关周期为例。 当s l 同时导通时，t 从零线性增加，其最大值为： 2 1 2 单级三电平交一交变换器的拓扑结构及特性分析 硕士论文 i lm a x l u m z - l u 口 f l - f o ) = 蛩乙= 百u 加- u od 不 ( 2 1 4 ) 当s l ，s 2 同时关断时，t 从屯一嘣一片线性下降，并且在t 2 时刻下降到零，即： t 一眦一工= 争化一，i ) ( 2 1 5 ) 在 t 2 ，t 3 】时段，中间储能电感电流为零，负载由输出滤波电容供电。 由式( 2 1 4 ) ，( 2 1 5 ) 可以得到： t 2 - t , = 等选o r s z(216)u 、 ， 输出电鎏为吁l ，t z 】时段中间储能电感电流在半个开关周期中的平均值，即： 厶一五= ( 争。1 专丘m “( ，2 - t o )( 2 1 7 ) 将式( 2 1 4 ) ，( 2 1 6 ) 代入上式( 2 1 7 ) ，可得： k = 铲。2 2 5b u c k - b o o s t 式单级三电平交交变换器的外特性分析 2 5 1 电感电流连续 根据式( 2 8 ) 知，当中间储能电感电流连续时， 出电压和输入电压之比为： u o ：旦 1 一d b u c k - b o o s t 三电平交一交变换器的输 ( 2 1 9 ) 2 5 2 电感电流断续 如果中间储能电感较小或负载减轻，滤波电感电流将会断续。当负载减小到使 t 。；。= 0 时，t = 之一，此时的负载电流l 皿i n 即为电感临界连续电流k 1 4 1 。 当d o 5 时， ，o g - h - - 争互1k 肥训 = ( j 1t 1 1 m ( 乙一和吲 = j 1t m 2 。一i ) ( 1 一。) c 当d - o 7 5 时，k 一一懈最大，为k 一押= 酱。 2 2 ( 2 2 0 ) 硕士论文 单级三电平交交变换器的研究 当d 0 5 时， k l = 1 2i 。一一。= 三蛩乙 ：u j ：d - u od t 5 u i t 。1 - 一2 u d 4 l4 l1 当d = o 2 9 3 时，k 一一一为最大，为k 一正= 尝磊， 取k 一一一为电感临界连续电流k 的基准值，即 k 一一= l o g - h - m a x ：u l t 石n t s 那么，根据式( 2 2 0 ) ，( 2 2 1 ) ，( 2 2 2 ) ，可以得到u 析的标幺值为 ，一4 ( 1 2 d ) d 1 一 1 o g d 丘= 8 ( 2 d 。d 1 0 g 一 1 一n ( d 0 时，电路工作于模式a ，能量由电源向负载传输，其中s i 、s 2 高频斩 波，s 3 、s 4 导通，s ： n s 4 关断。 2 4 硕士论文单级三电平交交变换器的研究 当“。时，电路工作于模式b，能量由负载向电源回馈，这种情况可以把负o 0 载看成电源，真的的电源看成负载，此时s 3 、s 4 高频斩控，s l 、s 2 导通，s i s 4 关断。 当n o 0 导通导通斩控斩控关断关断关断 关断 0 关断关断关断关断斩控斩控导通导通 ： 0 ，f d 0 关断关断关断关断导通导通斩控斩控 “。0 ，i o i 0 心。取c f 为4 7 心，该电容的最大电压应力为3 4 3 v ，选取c f 为4 7 1 a f 6 3 0 v 。 5 3 6 隔直电容设计 结合仿真实验和样机实验以及实际电容等级参数，同时考虑到该电容的最大电压应 力为3 4 3 v ，所以最终选取c b = 4 7j t f 6 3 0 v 。 5 4 实验结果与讨论 为了验证该变换器的先进性和正确性，制作了5 0 0 v a 2 2 0 v 士1 0 ( 5 0 n z ) 2 4 0 v ( 或 18 0 v ) ( 5 0 h z ) b u c k b o o s t 式单级三电平交- 交变换器原理样机，实物图如图5 4 1 所示。 啦! l e p 交空女换器的日f 究 a ) 功率电路部分 ( b ) 控制电路部分 5b u c k b o o nj f = 1 u 【；空垃盘换# 的吐汁和原理实验日l 论 ( c ) 电路整体实物创 幽5 4ib u c k b o o 女式单级二电平变一交变换器原理样机实物i 璺 根据是否将隔直电容c b 的瞬时采样控制加入控制电路中，可以将实验分为两部分： 阿r b 平实验和三电平实验从而可以很好地验证浚变换器的先进性和正确性。当采用输 出电压瞬时值反馈控制时变换器工作于两电平状态：当采用输出电压瞬时值、隔直电 容瞬时值双反馈控制时，变换器工作于三电平状态。 5 4 1 两电平实验 实验设计：b u c k b o o s t 式单级交- 交变换器拓扑。输出电压瞬时值反馈控制方案， 输入电压u i _ 1 1 0 + i o v a c ( 5 0 h z ) ，输出电压u o = 1 4 0 v a c ( 或8 0 v a c ) ( 5 0 h z ) ，额定 容量s = 5 0 0 v a ，外关频率f s = 5 0 k h z ，中间储能电感l = 1 m h ，隔直电容c h = 47 p f 6 3 0 v ，输出滤波电容c f - 47 汀6 3 0 v 。 b u c k - b o o s t 式单级交咬变换器两电平升压模式输入电压“和输出电压m 、功率管 电压应力吣、| 辐直电容电压虬。、储能电感电压“，实验波形如图5 411 所示。从图 ( b ) 、( c ) 看出开关管承受的电压应力为( q + ) ：如图( d ) 所示，两电平实验中隔直电容电 压明显不对称；从图( e ) 、( o 得出储能电感的电压应力包括两个电平。 m i 。如女 睁g = 电1 p 空- 烹变换器的研究 砷输 电压虬和输出啦压蚝( 1 0 0 、州各，l o m d 格 f k 。 一 ( b ) 功率管电压应力蜘1 ( 2 0 0 v i 格i o m d 格 c ) 功率管电压应力展开图( 2 0 0 v 格1 0 l 2 s 船) d ) 隔直电容电压波形“【* ( 2 0 0 v 格1 0 m s 格 5b u c k b o o nj * 三电耷- 交蹙换牲的设计和胤m 实验 硕 ：论立 j - 一 t - r 。1 rt c 】储能电感屯压“波形( 1 0 0 v 格， 0 m g 格 ( o 储能电感电压波形展开( 1 0 0 w 格，1 0 u s 格) 凹5 4lib u c k - b o o s t 式单级两电平交一交 变换器升压模式实验波形 b u c k - b o o s t 式单级交一交变换器两电平降压模式输入电压“和输出电压、功率管电 压应力u s ，、隔直电容电压q * 、储能电感电压叱实验波形，如图5 4 12 所示。g k n ( b ) 、 ( c ) 看出丌关管承受的电压应力为( q + k ) ；如图( d ) 所示，两电平实验中隔直电容电压明 眭不对称：从图( e ) 、( d 得出储能电感的电压应力包括两个电平。 ： 砷输入电压珥和输出电压( 1 0 0 v ，格1 0 m s 格) l 论立* 级三m p 交- 空变挠器的q 究 b 】功率管电压应力“s l 2 0 0 v h ti o m s z 格 c ) 功宰管电压应力展开图( 2 0 0 v 格，1 0 u s 格 d ) 隔直电存电压波形k _ ( 2 0 0 v ，格1 0 r e s 格 e ) 储能i u 感电压“l 波形( i o o v 格tf o r e s t s , 5b u c k b o o s t 式单级三电平交交变换器的设计和原理实验硕士论文 l 。 一一1 一 。l i i f l ! l 一一 l 弋 、 飞 弋l 一一_ - a l 。二二j ：、j 、一二jt 一 - 一一一。 。 ( f ) 储能电感电压波形展开( 1 0 0 v 格，1 0 u s 格) 图5 4 i 2b u c k - b o o s t 式单级两电平交交 变换器降压模式实验波形 5 4 2 三电平实验 实验设计：b u c k b o o s t 式单级三电平交交变换器拓扑。输出电压瞬时值、隔直电 容瞬时值双反馈控制方案，输入电压u i = 2 2 0 1 0 v a c ( 5 0 h z ) ，输出电压u o = 1 8 0 v a c ( 或2 4 0 v a c ) ( 5 0 h z ) ，额定容量s = 5 0 0 v a ，开关频率f s = 5 0 k h z ，中间储能电 感l = l m h ，隔直电容c b = 4 7 1 ：f 6 3 0 v ，输出滤波电容c f = 4 7 1 x f 6 3 0 v 。额定电阻负载 为r l = 9 5 f 2 ；r l 串联感性负载r l = 9 5 f 2 ，三= 2 3 0 m h ；r c 串联容性负载r = 9 5 f t ， c = 4 5 u f 。 b u c k b o o s t 式单级三电平交交变换器阻性负载降压模式输入电压和输出电压u o 、 功率管电压应力魄。、隔直电容电压z b 、储能电感电压叱实验波形，如图5 4 2 1 所示。 从实验波形可以看出，该变换器具有如下优点：从图( a ) 可以看出输出电压的t h d 较小； 从图( b ) 、( c ) 看出开关管承受的电压应力为( 玛+ 彳，是两电平变换器的一半；如图( d ) 所示，三电平实验中隔直电容电压基本满足( + ，可以保证电路三电平工作；从图 ( e ) 、( f ) 看出，储能电感的电压应力存在三电平。 单女= 电十交空娈换器研究 瓣硝瓣蕊 卜卜b n 蕊戏蝉v v 川, i i i - l-。j- 。 j- l j ( b ) 开关管s ll n 压麻力】( i o o v 格- tl o m s ，格 c ) i 局部展开图( 1 0 0 v 褚2 0 u s l 格 5b u c k - b o o s t 止坼级= 电1 f 交变娈按g 的计h 宴验 顾j 论女 d ) 隔直i u 容电压h m ( 1 0 0 圳各1 0 m s 格 ( e ) 储能电感电压鹰力“l ( 1 0 0 w p # t 1 1 ) m s # g - 恤 i 卜 怯 什一 n f 一= = j j ：0 “局部展开图( 1 0 0 v 格，1 0 u s 船) 图5 , 42lb u c k b o o s t 式单级三电平交一交 变换器阻性负载降压模式实验波形 蜊l 论立 单擐! 电十交女变换的研究 b u c k - b o o s t 式单级三电平交- 交变换器阻性负载升压模式输入电压m 和输出电压k 、 功：年管电压应力“”隔直电容电压、储能电感电压“。实验波形t 如图5 422 所示。 从实验波形可以看出，改变换器具有如下优点：从图( 劬可以看出输出电压的t h d 较小； 从图( b ) 、( c ) 看出开关管承受的电压应力为+ 虬z ，是两电平变换器的一半；如图( d ) 所示，三电平实验中隔直电容电压基本满足帆+ “。z ，可以保证电路三电平工作：从图 ( e ) 、( o 看出，储能电感的电压应力存在三电平。 w 蕊钾黼 熵wi 燃。 a ) 输入l h 压q 和输山电压( 1 0 0 v ；陷 t l o m s 格 ( b ) 开戈管s l 电压应力u s 一( t o o v f h ，i o m s ( 6 5b u c k b o o s t 一* & = l br 交- 交垒换的髓计和原理实驻颤十论文 nr 广1 一r 一斗n 盟国 fj 卜lf | j j i 一4 一l i j i - ff ：吐旺 ：l = j = ：t 。一一一一一_ 一。一l 一一一一一一 一一+ i i 一 ； - j ； c ) 蜘i 局部展开幽( 0 0 v 格，2 0 u “ a f i 辎t j - - f 一矿蜷毒 d ) 隔直电容电压坼。( 1 0 0 v 艳1 0 m s l 裆 e ) 储能电感电压应力( i o o v 借i o m s 胞- 瑚l 论 单目! 电，p 空- 交变按器的口 咒 0 0 v ， 鲁，2 0 u s ，格) ( o 叱局部展开圈 图5422 b u c k - b o o s t 式单级三电平交一交 变换器阻性负载升压模式实验波形 b u c k b o o s t 式单级三电平交一交变换器感性负载实验波形，如图5 423 所示 a ) 输入电压虬和输出电压( 2 0 0 v ，格。1 0 m s 格 k 越! “li “l 0 ) 开黄管s 1 电压应力“( 2 0 0 v 格。1 0 m “格) 5b u c k - b o o s 北单镕二电1 r 2 - i 变8 的搜汁自原8 窑验 颤论文 c ) “局部展开嘲( 2 0 0 v 格，1 0 u s 硌 d ) 隔亢电容电压”o ( 1 0 0 w 桔 ，1 0 m s 格 e ) 储能电感电压应力虬( 2 0 0 v 铬，i o m s z 格 1l 论立 单级= 屯。f 交- 交娈换8 的究 ( o ，局部展开图( 2 0 0 v 格，1 0 u s 格) 图5 423 b u c k - b o o s t 式单级三电平交交 变换器感性负载实验波形 b u c k b o o s t 式单级三电平交一交变换器容性负载实验波形，如图5 424 所示 ( 劬输八电压* 和输出电e , u o ( 1 0 0 v 格，1 0 m s 格 恤l撼a山3 ( b ) 开芰琶s i 电压应力u s t ( 1 0 0 w 格，1 0 m s 格 5b u c k - b o o s t t 单衄= j u 平变- 立变换# 的m 计和蟓g 实验 坝l 论立 c ) i 局部展开田( i o o v 陷 t2 0 u s 格) d ) 隔直电容电压k * ( i o o v 格，i o m s r 格 e ) 储能电感电压应力“l ( i o o v 格1 0 m s 鸺 l 论女 单级= 电，f 交变变换器的研究 “_ i e 5 部展开图( 1 0 0 v 特2 0 u s 格) 幽5 , 424b u c k - b o o s t 式单级三电平变交 变换器容性负载实验波形 b u c k b o o s t 式单级三电平交一交变换器空载实验波形如图54 25 所示 a ) 输 电压蚱和输出电压虬( 1 0 0 w 格，1 0 m s 格) i i , ii 【j-厦_ 。j ，l ( b ) 开关管sk 电压应力u s ( 1 0 0 v ，格，i o m s 格) br i c kn o o n 武 = 电十空- 变变换# r ”自原4 实啦l ：论女 f i i 黜i l ：邋。 c ) 。0 i 局部属开斟( i o o w 格，2 0 u “格 d ) 隔直电容电压( i o o w 棉- i o m s 格 e ) 储能电感电压应力“( 1 0 0 v ，格1 0 m s ，格 单! 电十交殳变换8 的研究 ( o “局部展开图( 1 0 0 v ：格，2 0 u s ：格) 刳5 425b u c k - b o o s t 式单级三电平交- 交 变换器空载实验波形 图5 426 为八个功率管在阻性负载降压模式工作时的驱动波形 a ) s 1 平ns 2 驱动波形( 5 v 格5 m s ：格) ( b ) s 】和s 2 驱动波形展开( s v t 碧。2 0 u s 格 c ) s 】1 和s 2 驱动波形( 5 v 储5 m s 格 5b u c k b o o n 北十衄= 屯平交一变变拽g 的k 计目棘e 宴m l 论z 似) s l 和s 2 驱动波形展升( 5 v i 倍，2 0 u “格 e ) s3 和s 驱动波形( 5 v 格舢5 ，格 ds 3 和s 。驱动波形( 5 w 格，5m 始 乜) s l 和s l 驱动波形( 5 w 格，5 m 嘴 ( h ) s ! 和s 2 驱动波形( 5 v 格5 m s 格 1 论i * 纽= 电t 交交变换8 的酬究 ( i ) s 3 乖ls ，驱动波形( 5 v 格舢5 ，格 0 ) s 4 和s 4 驱动波形( 5 v 格，5m s 格) 剀5 426 阻性负载降压模式工作时各个功率管驱动波形 5 4 2 结果比较 墟过对两电平实验波形和三电平实验波形的对比，可以发现单级三电平交交变换 器相对于单级两电平变埴变换器具有如下优点： ( 1 ) 功率管的电压应力降低| 两电平时的一半降低了对功率管的电压应力要求， 使电路可以应用于高压大功率场合。 ( 2 ) 三电平波形，输出电压t h d 较小。 此外，该变换器还具有如下优点：单级功率变换、负载能力强等。 5 单级多电甲交交变换器的设计和原理实验 硕士论文 6 总结 l 、提出单级三电平交交变换器拓扑族。多电平直流变换器，具有降低开关管电 压应力、减小输入输出滤波器等优点，适用于高输输出电压的功率变换器场合。 本文将多电平的概念引入无中间直流环节的交交变换器，提出单级三电平交交变换 器拓扑族：b u c k 、b o o s t 、b u c k b o o s t 、c u k 、s e p i e 、z e t a 式单级三电平交交变换器。 该类变换器具有开关管的电压应力低、单级功率变换、三电平波形、实现升降压输出、 输出电压t h d 较小、负载能力强等优点，该变换器的开关管电压应力是两电平的一 半。并对该类变换器进行了改进，得到了输入输出共地的单级三电平交交变换器拓 扑族。 2 、重点分析了b u c k b o o s t 式单级三电平交交变换器的工作模式、c c m 和d c m 模式下的输入输出特性以及外特性。根据输出电压、电流的极性，分析了该变换器负 载时的四种工作模式，每种工作模式相当于一个b u c k b o o s t 式单级三电平d c d c 变换器。 3 、提出了适用于b u c k b o o s t 式单级三电平交交变换器的控制策略：输出电压瞬 时值、隔直电容瞬时值双反馈控制策略。这种控制策略能够同时对输出电压瞬时值、 隔直电容瞬时值进行跟随控制，实现变换器的三电平输出。 4 、仿真研究：对b u c k b o o s t 式单级三电平交交变换器进行p s p i c e 仿真。仿真 结果证实了b u c k - b o o s t 式单级三电平交交变换器的正确性和先进性。同时也验证了 输出电压瞬时值、隔直电容瞬时值双反馈控制策略的正确性。为制作原理实验样机奠 定了基础。 5 、实验研究：研制输入电压u i = 2 2 0 1 0 v a c ( 5 0 h z ) ，输出电压u o = 18 0 v a c ( 或2 4 0 v a c ) ( 5 0 h z ) ，额定容量s _ - 5 0 0 v a ，开关频率f s = 5 0 k h z 的b u c k b o o s t 式单级三电平交交变换器原理试验样机，给出试验结果和分析。通过对两电平实验 波形和三电平实验波形的对比，可以发现单级三电平交交变换器相对于两电平交交 变换器具有如下优点：( 1 ) 功率管的电压应力降低到两电平时的一半，降低了对功率 管的电压应力要求，使电路可以应用于高压大功率场合。( 2 ) 三电平波形，输出电压 t h d 较小。此外，该变换器还具有如下优点：单级功率变换、负载能力强等。 硕士论文 单级三电平交交变换器的研究 致谢 本文在选题、研究和撰写中，自始自终都得到了李磊老师的全力指导，导师付出了 大量的心血和汗水。导师渊博的学识、严谨的治学态度、科学的思维方法、求实创新的 工作作风以及诲人不倦的敬业精神令我终生难忘，受益非浅。谨向导师表示衷心的感谢 和崇高的敬意! 在课题的研究过程中，韦徵、仲庆龙给了我许多启发和热情无私的帮助，另外杨开 明、唐栋材也在实验过程中给了我很大的帮助，在此向他们表示诚挚的谢意。此外，还 要感谢8 0 7 教研室所有老师和同学对我的关心和支持。 特别感谢父母多年的爱护和教导，他们为我付出了巨大的心血和精力，在我前进的 每一步背后都有他们默默的支持和无怨无悔的付出。对于这一切，我只有更加努力的工 作和学习来报答他( 她) 们。 最后，对所有关心、帮助过我的人表示深深的谢意。 6 7 参考文献硕士论文 参考文献 李斌三电平直流变换器的研究南京航空航天大学硕士学位论文2 0 0 2 石勇，杨旭，王兆安新型三电平p w m 交流斩波器电工技术学报，2 0 0 3 ，18 ( 6 ) ： 7 - 1 l d a o l i a nc h e n ，l e il i n o v e ls t a t i ci n v e r t e r sw i t hh i g hf r e q u e n c yp u l s ed cl i n k i e e e t r a n s p o w e re l e c t r o n ，2 0 0 4 ，l9 ( 4 ) ：9 71 9 7 8 李永东，肖曦高跃大容量的多电平变换器原理，控制，应用2 0 0 5 石勇，杨旭，王兆安新型三电平交流斩波电路的输出频谱结构分析中国电机工 程学报，2 0 0 4 ，2 4 ( 6 ) ：10 6 1 10 陈道炼，李磊电流源高频交流环节a c a c 变换器原理研究中国电机工程学报， 2 0 0 4 ，2 4 ( 2 ) ：9 8 - 10 1 j o a oc o l i v e i r ae ta 1 ah a l f - b r i d g ep w ma c a cc o n v e n e r i e e ea p e c ，1 9 9 6 ， 7 0 9 7 1 5 张元婊多电平直流变换器及其控制策略的研究南京航空航天大学硕士学位论 文，2 0 0 4 p e r e z g u e r r e r off ，v e n k a t e s a nk ，p a t t e r s o nr l o p t i m a lc o n t r o lo fat h r e el e v e l d c t o d cb u c kc o n v e r t e r p r o c i e e ea p e c ，1 9 9 9 ，10 0 6 - , 10 0 9 李磊，陈道炼两种高频交流环节a c a c 变换器比较研究中国电机工程学报， 2 0 0 6 ，2 6 ( 2