（电力电子与电力传动专业论文）正激式交交型三电平acac变换器的研究.pdf

a b s t r a c t正激式交- 交型三电平a c a c 变换器的研究 a b s t r a c t ac i r c u i tt o p o l o g yo ft h ef o r w a r da c - a cm o d et h r e e l e v e la c a cc o n v e r t e ri s p r o p o s e d ，a n dt h i st o p o l o g yh a sa p p l i e df o rp a t e n t s f o ri n v e n t i o n si nc h i n a ( n u m b e ro f a p p l i c a t i o n s ：2 0 0 710 0 2 0 9 4 6 4 ) t h ek i n do fc k c m tt o p o l o g i e sa r ec o n s t i t u t e do fi n p u tf i l t e r , t h r e e l e v e lc o n v e r t e r , h i g hf i e q u e n c yt r a n s f o r m e r , o u t p u tc y c l o c o n v e r t e r o u t p u tf i l t e ra n ds o o n t h ec o n v e r t e rh a st h e a d v a n t a g e s s u c ha s s i m p l et o p o l o g y , t w o s t a g ep o w e r c o n v e r s i o n s ( l f a c h f a c l f a c ) ，b i d i r e c t i o n a lp o w e rf l o w , h i g hf r e q u e n c y e l e c t r i c a l i s o l a t i o n ，t h r e e - l e v e lv o l t a g ea c r o s st h eo u t p u tf i l t e ra n ds oo n t h ec i r c u i ts t r u c t u r ei su s e df o r t r a n s f e r r i n gt h eu n s t a b l e a cv o l t a g ew i t hh i g ht h d ( t o t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o n ) i n t oa r e g u l a t e dc o n s t a n tf r e q u e n c ys i n u s o i d a lv o l t a g e t h ec o n t r o ls t r a t e g y , o p e r a t i o nm o d e sa n ds t e a d yp r i n c i p l e so ft h ep r o p o s e dc o n v e r t e ra r e i n v e s t i g a t e di nt h ep a p e r t h et i m ec o n d i t i o no fm a g n e t i cr e s e t ，o u t p u tv o l t a g eh a r m o n i c ， s t r e s so fp o w e rs w i t c h e so ft h ep r o p o s e dc o n v e r t e ra r ea l s oa n a l y s e d c o m p a r e dw i t l lt h e f o r w a r da c - a cm o d et w o - - l e v e la c a cc o n v e r t e r ，i tc o u l do b t a i nt h et h r e e - l e v e lv o l t a g e w a v e f o r m sa c r o s st h eo u t p u tf i l t e r , r e d u c et h eo u t p u ti n d u c t o r , a n dt h ev o l t a g es t r e s so ft h e p o w e rs w i t c hc o u l db ea l s ol o w e r e d t h ec o r r e c t i o na n da d v a n c eo ft h el l e wc o n c e p to ft h e 10 0 0 v a2 2 0 v 10 5 0 h z a c 110 v 5 0 h z a cf o r w a r da c a cm o d et h r e e 1 e v e la c a c c o n v e r t e ri sf u l l yv e r i f i e db yp s p i c es i m u l a t i o na n dp r i n c i p l et e s t t h i sk i n do fc o n v e r t e r l a y st h ek e yt e c h n i c a lf o u n d a t i o no nn e w t y p ee l e c t r o n i ct r a n s f o r m e r s ，r e g u l a t e ds i n u s o i d a la c p o w e rs u p p l i e sa n da cr e g u l a t o r s k e yw o r d ：a c a cc o n v e r t e r s ；t h r e e l e v e l ；f o r w a r d m o d e ；t r a n s i e n tv o l t a g ec o n t r o l ；p o w e r e l e c t r o n i c s n 图表目录硕士学位论文 图表目录 图1 1 2 1 交交变频器结构2 图1 1 2 2 三相桥式一单相变频电路2 图1 2 3 1 三相输入到三相输出矩阵变换器电路结构示意图3 图1 3 1 基于高频交流环节逆变技术的a c d c a c 变换器电路结构3 图1 4 1高频交流环节a c a c 变换器电路结构4 图2 1 1正激式三电平d c d c 变换器的电路拓扑6 图2 2 1 控制原理波形7 图2 2 2 正激式三电平d c d c 变换器的开关模态8 图2 5 1正激式三电平d c d c 变换器的仿真模型1 2 图2 5 2日= 1 7 职= 2 7 时变换器仿真波形l4 图2 5 3口= 4 7 破= 5 7 时变换器仿真波形l6 图3 1 1 1 基于正激f o r w a r d 变换器的高频隔离式交交型三电平a c a c 变换器电路 拓扑结构1 8 图3 1 2 1 基于正激f o r w a r d 变换器的高频隔离式交交型三电平a c a c 变换器电路 拓扑族1 9 图3 2 1电路拓扑控制原理2 1 图3 3 1正激式交交型三电平a c a c 变换器的电路拓扑2 2 图3 3 1 1工作模式a 时开关过程等效电路2 4 图3 3 1 2 工作模式b 时开关过程等效电路2 4 图3 3 1 3 工作模式c 时开关过程等效电路2 6 图3 3 1 4 工作模式d 时开关过程等效电路2 7 图3 3 2 1一个开关周期内三种等效电路2 7 图3 3 3 1滤波电感电流临界c c m 和d c m 模式时一个开关周期内的波形2 8 图3 3 3 2 变换器标么外特性3 1 图3 4 1s i 。和s 2 。在一个开关周期内的工作波形31 图3 4 2s 5 。和s 。在一个开关周期内的工作波形3 3 图3 5 1滤波器前端电压及开关函数g 波形示意图3 5 表3 6 1 正激式交交型三电平a c a c 变换器各功率开关管电压应力3 7 图4 2 1 1稳态仿真波形4 9 图4 2 2 1 负载突变时动态仿真波形5 0 图5 1 1正激式交交型三电平a c a c 变换器系统构成框图5 1 v i 目录正激式交交型三电平a c a c 变换器的研究 图5 1 2 正激式交交型三电平a c a c 变换器功率电路5 1 图5 2 1 1与电网电压同步的正弦基准电路原理框图5 3 图5 2 2 1i c l 8 0 3 8 内部原理图及封装图5 3 图5 2 2 2i c l 8 0 38 外部接线图5 4 图5 2 - 3 1p i 调节器5 4 图5 2 4 1比较器5 5 图5 2 5 1两分频电路5 5 图5 2 6 1选通信号产生电路5 6 图5 2 7 1功率开关驱动信号产生电路5 7 图5 2 8 1高频功率开关驱动电路5 8 图5 4 1 正激式交交型三电平a c a c 变换器原理试验波形6 8 v i i 学位论文独创性声明 本学位论文是我个人在导师指导下进行研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含我为获得任何其 它学位而使用过的材料。其他人员对本学位论文所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 作者签名 关于本学位论文使用授权的声明 南京理工大学有权保留本学位论文的复印件和电子文档，有权送 交给有资质的信息档案机构存档。除在保密期内的保密论文外，本论 文允许被查阅和借阅，可以公布论文的全部或部分内容。上述事项授 权南京理工大学研究生院办理。 作者签名 硕士学位论文正激式交- 交型三电平a c a c 变换器的研究 1 绪论 电力电子研究人员对d c d c 变换器、a c d c 变换器、d c a c 变换器高频环节技术 1 - 1 1 】的研究，已取得了显著的成果：对a c a c 变换技术的研究范围也从交流负载与交 流电网无电气隔离的可控硅相控变频器【1 2 】、矩阵变换器【1 3 1 、交直交型高频环节 a c d c a c 变换器【1 4 】、扩展到两电平交交型高频环节a c a c 变换器【1 5 - 2 7 】。但是对于多 电平a c a c 变换器的研究却非常少，目前仅局限于非隔离式、低频或中频隔离式交直 交型多电平a c a c 变换器i z 哪和b u c k 型非隔离式交交型三电平a c a c 变换器。 本章系统论述了a c a c 变换技术的发展、现状以及应用前景，介绍了本文的主要 意义和研究内容。 1 1a c a c 变换器的应用前景 a c a c 变换器是应用功率半导体器件，将某一频率和幅值的交流电能转换成同一 或另一种频率和幅值的交流电能的一种变流装置，供交流负载用电。 交流稳压器是a c a c 变换器典型应用之一。由于电网容量的不足，特别是输变电 和各种配电设备的性能和质量问题，各种用电设备配置的合理性以及设备之间的相互影 响等因素，使供电系统终端的供电质量受到了严重的影响。在电网中存在着过压，欠压， 瞬时跌落，j 故障停电，浪涌以及尖峰脉冲等高频干扰。这些设备的使用是为了保证并改 进交流供电质量，特别是交流稳压器和u p s ，它们已经成为交流供电系统必备的终端设 备，不仅可以全面的改善供电质量，同时还具备对负载进行保护和协助使用者对供电系 统进行管理的功能，因此交流稳压器已成为交流供电系统中的重要环节。 交流调压器也是a c a c 变换器应用领域之一。工频变压器广泛应用于工矿企业， 科研院所和大学实验室等领域，实现了高效率传递功率，a c a c 变压与电气隔离等功 能。由于传统的工频变压器体积大且笨重，音频噪音大，无稳压功能，对非线性负载( 如 典型的二极管整流，电容滤波电路) 供电时谐波污染电网现象严重，满足不了电气电子 设备小型化的需要。 因此，开展“多电平交交型a c a c 变换器 的研究，对获得新一代高性能交流稳 压器、电子变压器、交流调压器与同频波形变换器，具有十分重要的意义。 1 2 传统的a c a c 变换技术 1 2 1 工频变压器 工频变压器广泛应用于工矿企业，科研院所和大学实验室等领域，实现了高效率传 l 绪论 硕士学位论文 递功率，a c a c 变压与电气隔离等功能。由于传统的工频变压器体积大且笨重，音频 噪音大，无稳压功能，对非线性负载( 如典型的二极管整流，电容滤波电路) 供电时， 谐波污染电网现象严重，满足不了电气电子设备小型化的需要。因此，寻求高功率密度、 高变换效率、高频电气隔离、无噪音、网侧电流波形可得到改善、可稳压、具有双向功 率流的新型电子变压器已迫在眉睫，其综合性能将比传统的工频变压器优越的多。 1 2 2 可控硅相控变频器 传统的可控硅相控变频器，如图1 2 2 1 所示。适当的控制正，反两组可控整流器的 切换频率，则在负载端可以得到交变的输出电压。实际的可控硅相控变频电路中常采用 “余弦波交截控制法”以获得平均正弦波的输出。以三相桥式单相变频电路为例，其 电路图如图1 2 2 2 所示。为了在负载端得到交流输出电压，按基准电压和余弦同步电压 波的交点决定相应的各相晶闸管的控制角。 可控硅相控变频器输出电压频率一般不超过输入电压频率的三分之一，而且输入电 压相数越多，输出波形越好。可控硅相控变频器多用于低速大功率的拖动。 正 f i u o 17 、 - 反组 2l - 2 f f 2l i7 i7 i7 ) _ 一 。 、 f【- f 1土2土 、7i7i7 2 - 。 。 图1 2 2 1 交交变频器结构图1 2 2 2 三相桥式单相变频电路 1 2 3 矩阵变换器 矩阵变换器是一种采用高频p w m 技术将任意频率和电压的多相电源直接转换成另 一种电源的a c a c 变换器，具有输入电流和输出电压均为正弦波形，功率因数高，双 向功率流，无中间储能环节，输出的电压幅值，相位和频率可以独立调节，控制复杂等 特点。三相输入到三相输出矩阵变换器电路结构如图1 2 3 1 所示，其中s 一s 。为双向功 率开关，用于阻断任意方向的电压和电流。对三相输入到三相输出矩阵变换器进行控制 时，要首先检测三相输入电压，从而根据输出电压的大小计算出s 。一s 。的导通时间，去 控制各个开关管，从而得到输出电压。 2 硕士学位论文正激式交交型三电平a c a c 变换器的研究 图1 2 3 1 三相输入到三相输出矩阵变换器电路结构示意图 1 3 交直交型高频环节a c d c a c 变换器 如果将输入工频正弦交流电压整流滤波，然后再经过高频环节逆变成低频交流，便 可构成交直交方案的高频环节a c d c a c 变换器，如图1 3 1 所示。显然这种交直 交方案的高频环节a c d c a c 变换器存在三级功率变换( l f a c d c h f a c l f a c ) 、电路 拓扑复杂、体积重量大、变换效率低、电网谐波污染严重、单向功率传递、成本高等缺 点。 a cd c f j 丰 斗 j 世 f 培 i 趸沉电嘲低频整流器两频迎燹器商频储就式燹出器 周坡燹挟器输出滤坡器工频交沉负载 图1 3 1 基于高频交流环节逆变技术的a c d c a c 变换器电路结构 1 4 交交型两电平高频环节a c a c 变换器 相比较交一直交型高频环节a c d c a c 变换器，交交型两电平高频环节a c a c 变 换器电路拓扑简洁、两级功率变换、功率密度和变换效率高、双向功率流、音频噪音低、 网侧电流波形得到改善、适用于中小功率变换场合。其电路结构如图1 4 1 所示。 3 i 绪论 硕士学位论文 一 硼筮 上l e 正 l f 上亡 1 1 1 1lih jm 阡惯 ”阢 衙 ni 岫岫l f 一l = - t - z - j d * l 斟坍剖 。v b 。u 交流电网输入滤波器输入周波变换器高频储能式变压器输出周波变换器输出滤波器交流负载 图1 4 1 高频交流环节a c a c 变换器电路结构 1 5 多电平a c a c 变换器 目前国内外电力电子研究人员对多电平a c a c 变换器的研究非常少，而且仅局限 于非隔离式、低频或中频隔离式交直交型三电平a c a c 变换器和降压( b u c k ) 型非隔离 式交交型三电平a c a c 变换器。交一直交型三电平a c a c 变换器和b u c k 型非隔离式 交交型三电平a c a c 变换器虽然各具优点，但前者存在电路拓扑复杂、功率变换级数 多、输入侧功率因数低、变换效率偏低、功率密度低、控制复杂等缺点，而后者存在拓 扑形式单一、只能实现降压变换、无电气隔离等缺陷。 m o l i n k a 等人提出了一种中频隔离式交直交型多电平a c a c 变换器【2 引，其电路 结构由模块化多电平a c a c 变换器( m 2 l c ) 、中频变压器、整流器、逆变器和滤波器等 构成，具有电气隔离、输出电压可控、模块化、适用于高压a c a c 变换等优点，但存 在拓扑复杂、功率变换级数多( 低频交流l f a c 一直流d c 一中频交流m f a c - - 直流d c 一低频交流l f a c ) 、输入侧功率因数低、变换效率和功率密度低、体积重量大、控制复 杂等缺陷。 1 6 本文的主要研究意义和研究内容 1 6 1 本文的主要研究意义 由上述可知，国内外电力电子研究人员对于a c a c 变换器的研究，主要集中在非 电气隔离式、低频和高频电气隔离式等两电平a c a c 变换器；对于多电平变换器的研 究，主要集中在多电平d c d c 、d c a c 和a c d c 变换器f 2 9 3 1 1 ，而对于多电平a c a c 变换器的研究仅局限于非隔离式、低频或中频隔离式交直一交型三电平a c a c 变换器和 b u c k 型非隔离式交交型三电平a c a c 变换器。 因此将多电平变换器理论【3 2 _ 3 3 】引入到a c a c 变换器领域中，提出一种具有电路拓 扑简洁、高频电气隔离、单级功率变换、双向功率流、输入侧功率因数高、输出滤波器 4 硕士学位论文正激式交交型三电平a c a c 变换器的研究 前端电压频谱特性好、变换效率和功率密度高、输出波形质量高、可靠性高、适用于高 压大容量a c a c 变换和电气隔离场合的多电平a c a c 变换器是电力电子研究领域的一 个前沿课题。 本文课题来源是国家自然科学基金( 5 0 6 0 7 0 0 8 ) 资助项目：交交型多电平a c a c 变 换器原理研究。其主要研究意义如下： 1 本课题提出了基于正激f o r w a r d 变换器的高频隔离式交交型三电平a c a c 变换器的 电路结构以及拓扑族，丰富了功率电子学的研究内容； 2 正激式交交型三电平a c a c 变换器具有电路拓扑简洁、两级功率变换 ( l f a c h f a c l f a c ) 、高频电气隔离、双向功率流、输出滤波器前端可得到三电平高频 电压波、网侧电流波形和功率因数可得到改善、音频噪音小、体积重量小、变换效率高、 控制简单、成本低等优点，在大功率场合具有广阔的应用前景； 3 相关技术成果可推广应用于科研生产，实验室和家庭中变压器的领域。该技术的研究 是新型电子变压器、正弦交流稳压器和交流调压器的关键技术基础，具有重要的理论价 值和工程应用价值。 1 6 2 本文主要研究内容 本文在基于正激式三电平d c d c 变换器的基础上，通过电路拓扑结构的基本延拓 和改进，提出正激式交交型三电平a c a c 变换器电路拓扑，并研究其电路拓扑的控制 原理，原理特性和关键电路参数设计，并在理论研究和仿真分析的基础上进行了原理试 验研究。“ 本文的主要研究内容有： 1 。系统地论述了a c a c 变换器发展、现状以及应用前景； 2 在深入研究正激式d c d c 变换器的拓扑结构和工作思想的基础上，据此提出一种正 激式三电平d c d c 变换器的电路拓扑，并详细地分析了其工作原理，最后通过仿真来 验证了理论的正确性； 3 学习电路拓扑结构的基本延拓思想和改进策略，提出了基于正激f o r w a r d 变换器的高 频隔离式交交型三电平a c a c 变换器的电路结构以及拓扑族： 4 对所提出的正激式交交型三电平a c a c 变换器电路拓扑深入分析其控制策略、工作 原理、工作模式、外特性及其正常工作时所需满足的条件，分析了变换器输出电压谐波 特性和各个功率开关漏源极电压应力，给出关键电路的设计参数，并通过仿真来验证其 理论的正确性： 5 进行了2 2 0 v + 1 0 ( 5 0 h z ) 1 1 0 v ( 5 0 h z ) 正激式交交型三电平a c a c 变换器原理试 验。 5 2 正激式交交型三电平a c a c 变换器技术基础 硕士学位论文 2 正激式交交型三电平a c a c 变换器技术基础 本章提出并分析了正激式交交型三电平a c a c 变换器技术基础正激式三电平 d c d c 变换器的工作原理、工作模式和控制方式，给出了该变换器正常工作时所需满 足的条件，并通过仿真验证了此变换器理论的正确性，为正激式交交型三电平a c a c 变换器的研究奠定了技术基础。 2 1 正激式三电平d c d c 变换器的拓扑结构 本节提出了正激式三电平d c d c 变换器的电路拓扑。与普通正激式d c d c 变换器 的拓扑相比较，通过分压电容将输入电压均压，用两个功率开关管代替一个开关管，再 引入一个筘位二极管。通过对功率开关管实行一定规律的控制，可以在变压器原边获得 三电平高频电压波，在输出滤波器前端获得三电平低频电压波。相比较普通正激式 d c d c 变换器，由于电路拓扑中功率开关管的电压应力减小，所以正激式三电平d c d c 变换器的拓扑结构更适合用于大功率变换场合。 正激式三电平d c d c 变换器的电路拓扑如图2 1 1 所示： 图2 1 1 正激式= e e 平d c d c 变换器的电路拓扑 c l 、c 2 为分压电容，其容量大且相等，电容两端电压为输入电压的一半，s ，和s 2 为功率开关管，d 。为复位二极管，d 2 为箝位二极管，d 3 为续流二极管，c 为输出滤 波电容，0 为输出滤波电感。 令i 2 = k 1 ，l 3 = 局，s 。的占空比为4 ，s ：的占空比为d 2 ( 砬 日) 。 2 2 工作稳态分析 正激式三电平d c d c 变换器的控制原理波形如图2 2 1 所示： 6 硕士学位论文正激式交交型三电平a c a c 变换器的研究 l ol：t 3 t t o + 】 兰! 1 1 珥2 k 珥局g q ( 1 ，2 + k ) r 一 c oe lt 2岛气+ 互 兰! ! l 矾2 k 阢与t k 虹o 2 + 剐ii v , r t ot it 2t 3 ( t o + t , ) 岛 f l f 2 t 3t o + ( a ) 变压器在，3 时刻复磁结束 变压器一个周期内提前复磁结束 图2 2 1 控制原理波形 当复磁绕组3 刚好在t 3 ( t o + c ) 时刻，即一个周期内复位结束时，对电路拓扑进行 开关状态分析： ：j 开关模态一： t o 】时刻，s 。和s ：共同导通，变压器原边电流经电压源、s ，、s 2 、 i 流通；副边电流经二极管d 。、负载、2 流通。此时变压器原边绕组l 两端电压： “i = 弘，副边绕组2 两端e g e , ：d 2 = u 2i n , = r , ，复磁绕组3 两端电压： 。 u 3 = 。- u i 3 i n , = 一u i k 2 。 开关模态二：【t 2 】时刻，s i 关断，s ：继续导通，此时原边电流经c 2 、s ：、i 流 通；副边电流继续经二极管d 。、负载、m 流通。此时原边绕组1 两端电压：i a l = 配1 2 ， 副边绕组2 两端电压：u ：= u , n 2 ( 2 1 ) = 职( 2 k ) ，复磁绕组3 两端电压： 3 = 也( 2 ) 。 开关模态三：【乞岛】时刻，s 。关断，s ：也关断，此时复位绕组3 开始工作，变压 器励磁电流经复位绕组m 和复位二极管d 流回输入端，变压器磁复位。滤波电感电流f 盯 经续流二极管d ，、负载续流。此时复磁绕组m 两端电压：= u j ，原边绕组l 两端电 压：m = 一u l 3 = 一，副边绕组2 两端电压：甜2 = u i 2i n , = - w , ki k ! 。功率 开关管s ：此时承受的电压应力为：u 1 2 + l 3 = u ( 1 1 2 + k 2 ) 。 若变压器在一个周期内提前复磁结束，如图2 2 1 ( b ) 所示： 【岛f o + 】时刻，复磁绕组3 已经将能量回馈至电压源，变压器磁复位在下一个开 关周期来临前结束。此时复磁绕组m 两端电压：蚝= 0 ，原边绕组l 两端电压：u = 0 。 二极管d ：反向截止，两端电压为：v , 1 2 ，功率开关管s ：此时承受的电压应力为： u i j 2 + u t 2 = u i o 7 8 变换器各个工作开关模态如图2 2 2 所示。 t “：土 一 2 i e d 3 c ，二 l 2 ( a ) s l 和s 2 共同导通时 c 1 = 二 s 1 j 匡 2 d 2 一，i c 2 二= ：h 3 s 2 心 。l t “：l ( b ) s i 关断和s 2 导通时 t “：、l y i 0 i j 2 l ；d 3 c f ： 2 d i j ， ( c ) s l 和s 2 共同关断时 硕士学位论文正激式交交型三电平a c a c 变换器的研究 图2 2 2 正激式三电平d c d c 变换器的开关模态 2 3 正激式三电平d c d c 变换器正常工作时所需满足的条件 父压器磁心必狈仕一i 、升天周期冈，炅能绍采，百则母i 、周另l j 冈田亍能心夏慨、仗元厩 而使其磁通不断增加，最终导致变压器磁芯很快饱和，从而致使变换器不能正常工作。 因此变换器的主功率开关管占空比必须满足一定条件，以保证变压器磁芯在下一个开关 周期来临之前磁复位结束。 t o 】时刻，川掣= ，即： d t ”等“- ，o ) ( 2 1 ) ”州批l 盟d t = 等b 口： 蝣等q 训 ( 2 - 2 ) 乇，3 】时刻，复位绕组工作，3 华：，即： 、 a t 舭等”伊最”伊筹旷乞) 肌等珊瓦u , ( d 2 - d 1 ) i 专) 岛一f 2 一d z l + k d 2 2 t , t 3 - t 2 = o - 砬) z 时，复磁绕组刚好在f 3 时刻复磁结束，此时： - ( 1 例i = 等瓦 堕旦+ n ：1 2 k ， 2 ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 9 仁) 九 t 一 = 也 欢 匕m 地 九 陋厶考。由 2 正激式交交型三电平a c a c 变换器技术基础 硕士学位论文 当乙一t ： ( 1 - 皿) c 时，磁芯在下一个开关周期来临之前复磁结束，此时： 岛一f 2 ：毒f 望生c ( i - ( i - d z ) r , 岛一f 22 专芦c 堡生+ d 1 0 ， 2 “+ 必+ 2 k 2 得：( q + 皿) 互i ( d i + d 2 + 2 b ) 三2 ，即： q + 砬 0 时，电压极性信号? 2 s y 为低电平。甜。与双极性锯齿波蜥比较后得到 了正负半周不等宽的高频脉冲信号。此时引入输入电压极性信号“。与之进行逻辑变换 将其变换为正负半周等宽的s p w m 信号“。将甜。，通过二分频之后得到占空比为定值的 ( d = 0 5 ) 的s p w m 高频脉冲信号“们，将l 与甜掣相或得到功率管s 2 。的驱动信号，与一 相或便得到功率管s ：。的驱动信号。与相与之后形成新的脉冲信号2 ，将2 分 别与“删、一“，相或便得到功率管s 。、s 。的驱动信号。甜砂作为辅助功率开关 s ，b 、s 。、s ，b 、s 6 。的驱动信号( 为截止信号) 。一“叫为辅助功率开关s 3 。、s 4 b 、s ”s 6 b 的驱 动信号( 为常通信号) 。此时变换器工作于工作模式a ，电源向负载供电。 当 0 时，电压极性信号甜删为低电平。引入误差放大极性信号甜。，将输 入电压极性信号“删与一甜。，相与，获得此时的工作区间。将此时的工作区间先与高频脉 冲信号：相与，便得到此时s ，。高频斩控的驱动信号，对s ，。驱动信号取非，就形成了s 6 b 的高频斩控驱动信号。一甜纠作为功率开关管s 。、s ：。的驱动信号( 为常通信号) ，作为 功率开关管s m 、s ：b 的驱动信号( 为截止信号) 。此时变换器工作于工作模式b ，负载向电 源反馈能量。 当 0 时， 变换器工作于模式a 。 s l 。、s 2 。高频斩波， s l b 、s 2 b 、s 3 。、s 4 b 、s 5 。、s 6 b 常通，s 3 b 、s 4 。、s 5 b 、s 6 。常断。当s ”s 2 。同时导通时，此时 原边电压u 。= ，副边电压“：= “，2 n , = u i k i ，复磁绕组3 为上负下正，两端电压 u 3 = - t l ，3 s , = - - t l i 。s 1 。关断，s 2 。继续导通时，原边电压= 2 ，副边电压 “：= 坼2 “2 i ) = 坼( 2 k ) ，复磁绕组两端电压鸭= - 2 1 3 ( 2 1 ) = - - 2 i ( 2 岛) 。此时，滤 波电感电流0 经s ，。、d ，b 流通，电源给负载供电。当s l a 、s 扫同时关断时，复磁绕组3 变 为上正下负，并开始工作，变压器励磁电流经复磁绕组3 、s 4 b 、d 。流回输入端，变压 器磁复位。滤波电感电流0 经负载吃、s 砧、d 缸续流。此时，屿= ， = 一材，l m = 一u t k 2 ，甜2 = 2 n , = 一坼k 2 r , 。s 2 。承受的电压应力为： 坼2 + u ，l n , = u , ( 1 2 + k ) 。在此模式下，原边绕组1 分别依次出现u j 、u j 2 、一u , c ：三 个电平，副边绕组2 依次出现k i 、( 2 k ) 、一坼墨x , 三个电平。变换器工作状态如 图3 3 1 1 所示。 硕上学位论文正激式交交型三电平a c a c 变换器的研究 d 4 。 d 4 b 3 工 t 2 土 ( a ) s l 。和s 2 。同时导通 d 4 。 d 4 b 3 | r t “：l ( b ) s i 。关断和s 2 a 导通 d 4 。 d 4 b 3 、l t “2 上 “0 “0 “o 3 正激式交交型三电平a c a c 变换器技术的电路拓扑与原理特性 硕士学位论文 ( c ) s i 。和s 2 aj 司时关断时 图3 3 1 1 工作模式a 时开关过程等效电路 当 o 0 时， 变换器工作于模式b 。s ，。、s 6 b 高频斩控， s 1 a 、s 矿s 3 b 、s 4 。、s 5 b 、s 6 。常通，s l b 、s 2 b 、s 3 。、s 4 b 常断。当s 5 。导通时，s 6 b 断开，原边 绕组1 上负下正，原边电感电流t 。通过s ：。、d ：b 、s 。、d 岫向电源反馈：复磁绕组3 上 正下负，二极管d 。反向截止。此时变压器原边绕组i 两端电压“。= ，副边电压 = k ，复磁绕组3 两端电压甜，= 一珥k 2 。当s 5 。断开，s 6 b 导通时，滤波电感电流 0 经过负载、s 。、d 。续流；复磁绕组3 为上负下正，变压器励磁电流通过复磁绕组3 、 s 4 。、d 4 b 回馈至电源，, 3 = “，；原副边绕组1 、2 均为上正下负，二极管d l b 、d 3 b 、d 5 。 反向截止。此模式下变换器工作状态如图3 3 1 2 所示。 茬d 1r 玎 - “。 m s 5 a s 5 bi s 缸j 0 域。c 二 畔d 6 b 。 l ( a ) s 5 。导通和s 6 b 断开时 d 4 。 d 4 b t ( b ) s 5 。断开和s 6 b 导通时 图3 3 1 2 工作模式b 时开关过程等效电路 当 0 为例，稳态工作且输出滤波电感电流连续时，一个开关周期内各个 开关状态电路的等效电路如图3 3 2 1 所示，其中，为包括变压器绕组等效电阻，功率开 关通态电阻，滤波电感寄生电阻等在内的等效电阻。 ( a ) s l 。和s 2 。同时导通时( b ) s l 。关断和s 2 。导通时 ( c ) s l 。和s 2 。同时关断时 图3 3 2 1 一个开关周期内三种等效电路 由于开关频率只远大于输出c 滤波器的截止频率和输出正弦交流电压的频率，因 此在一个开关周期瓦内输出电压可看成恒定量，可用状态空间平均法建立输出电压和 输入电压之间的关系式。 3 正激式交交型三电平a c a c 变换器技术的电路拓扑与原理特性 硕士学位论文 。鲁一，簧飞 c ，警= 。一卺 c ，亟d t i , 卺r j ， ( 3 i 1 ) ( 3 i 2 ) ( 3 2 1 ) ( 3 2 2 ) ( 3 3 1 ) ( 3 3 2 ) 将( 3 1 ) 式乘以d l 加上( 3 2 ) 式乘以d 2 一日加上( 3 3 ) 式乘以1 一d 2 ，令鲁= 。， _ d u o ：0 ，可得状态变量的稳态值： d t 3 3 3 稳态时变换器外特性 不： ( 3 4 ) ( 3 5 ) 由式( 3 5 ) 可知，理想情形且c c m 模式时变换器的外特性为： = u 篑半= 鼍半 b 6 ， 滤波电感电流临界连续和d c m 模式时一个开关周期内的原理波形，如图3 3 3 1 所 酞 一 m m 拳2 坠吼 砘 b 一， 吼 寸 吼 盟出 盟卉 堕出 l 吃 。一也者矗半学 m m 丝m u = = 厶 ，矿 硕士学位论文正激式交一交型三电平a c a c 变换器的研究 c olt 2 t ，t 气+ l ( a ) l l 临界c c m 模式( b ) d c m 模式 图3 3 3 1 滤波电感电流临界c c m 和d c m 模式时一个开关周期内的波形 在r = f 2 时： 材，瓮砘= 。等瓦叫。2o 萌 f = t 2 f 3 时： 詈瓮飞= 。罢掣 0 = ，3 f l + e 时： ! r；* l f ，k + 3 、 驴_ f 丽 令电感电流临界连续时的负载电流为七： 由圭。(f2)(乞一，1)+三。(f3)(rl+zf3)+垒d兰望12掣：，ge，得出： ig = 1 6 ( t 2 ) 砬+ 兰芬( ，3 ) ( 1 一q ) 综合式( 3 7 ) 、( 3 9 ) 、( 3 1 0 ) n - 可得： 厶= 丢警号 q 砬+ 半一半c 4 删 令d 2 = 0 5 ，得出： 乇= 吉警号( 一互1 。f + 互1d - + 吉) 当日= 0 5 时，如取最大值，即： ( 3 7 ) ( 3 8 ) ( 3 9 ) ( 3 1 0 ) ( 3 1 1 ) ( 3 1 2 ) 3 正激式交交型三电平a c a c 变换器技术的电路拓扑与原理特性 硕士学位论文 七懈5 i 1i u , i t j 故理想情形且滤波电感电流临界连续时变换器的外特性为： 乇= 4 七一( 一互1d 2 + 互1d 。+ i 1 ) 当 f l + i 时，r = 乞时： 甜；盟：三，业立 两叫。2o 莆 ，= t 2 f 3 时： t = t 3 时： = 。鬻 令皿= 0 5 ，综合式( 3 1 5 ) 、( 3 1 6 ) 、( 3 1 7 ) n 得： = 丝铲参 输出负载电流i o 为： ( 3 1 3 ) ( 3 1 4 ) ( 3 1 5 ) ( 3 1 6 ) ( 3 1 7 ) ( 3 1 8 ) 三。(，：)(f：一，1)+吾fl，(b)(f4一岛)+垒_竺王二垒掣=厶i ( 3 1 9 ) 综合式( 3 1 3 ) 、( 3 1 5 ) 、( 3 1 7 ) 、( 3 1 8 ) 、( 3 1 9 ) 得： 厶= 端一掣 掣一掣 2 。， 因此理想情形且d c m 模式时变换器外特性为： 粤：石掣 ( 3 2 1 ) - 二一= ：- - - - ? - - lj zi u k4 厶七。戤+ 2 ( 4 研+ 1 ) 、 7 由式( 3 4 ) 、( 3 6 ) 、( 3 1 4 ) 、( 3 2 1 ) 可得变换器的标么外特性瓦v 面o = f ( 1 0 乇懈) ， 如图3 3 3 2 所示。曲线a 为滤波电感电流临界连续时外特性曲线，由式( 3 1 4 ) 决定；曲 鬻 0 = 丝m 坼一2 硕士学位论文正激式交- 交型三电平a c i a c 变换器的研究 线a 右边为滤波电感电流连续时外特性曲线，实线为理想情形时曲线，由式( 3 6 ) 决定， 可见当变换器工作于理想c c m 模式时，输出电压与输出电流大小无关，有类电压源特 性。虚线为实际情形时曲线，由式( 3 4 ) 决定，可见随负载电流增加，输出电压下降：曲 线a 左边为滤波电感电流断续时外特性曲线，由式( 3 2 1 ) 决定，可见当变换器工作于d c m 模式时，变换器存在很高的非线性内阻，有类电流源特性。 图3 3 3 2 变换器标么外特性 3 4 变换器正常工作时所需满足的条件 在工作模式a 、b 、c 、d 中，变换器中高频变压器磁芯必须在功率开关管一个周期 内复磁结束。否则每个周期内由于磁芯复磁没完成而使其磁通不断增加，最终导致磁芯 很快饱和而不能工作。 工作模式a 中，变换器主功率开关管s 。、s ：。一个周期内工作波形如图3 4 1 所示： t lt 2t 3t 4 + 正 图3 4 1 s l 。和s 2 。在一个开关周期内的工作波形 f l f 2 时刻，s i 和s 2 a 同时导通：i 警= ，即： 3 正激式交交型三电平a c a c 变换器技术的电路拓扑与原理特性 硕士学位论文 磊= 熹( ，2 一，i ) ( 3 2 2 ) 【，2 岛】时刻，s 。关断s 扫继续导通时：l 盟d t = ，即： 唬2 景( f 3 一t 2 ) ( 3 2 3 ) t 3 】时刻，s 1 和s ：。同时关断，复位绕