（电力电子与电力传动专业论文）单极性移相控制电压源高频交流环节acac变换器研究.pdf

a b g 订a c t a b s t r a c t ：t h em i p o l a r i t yp h a s e - s h i f t e dc o n t r o l l e dv o l t a g em o d ea c a cc o n v e r t e r s 、“t h 址曲f r e q u e n c ya cl i n k b a s e do nf o r w a r dc o n v 葺- 一譬稻a r ef i r s t l y 讲刊d d s e da n dd e e p l y i n v e s t i g a t e d 1 m sk i n do fc o n v e r t e r si 5c o n s t i t u t e do fi n p u tc y c l o c o n v e t e r , h i - g h 矗e q u e n c y t 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 , m p u t a n do u t p i rf i l t e r s 。i ti n c l u d 酷f u l lb r i d g e - f l l l lw a v e m o d ea n df l m b r i d g e - f u l lb r i d g em o d et o p o l o g i e s t h ef o r m e ri ss u i tf o r1 0 wo u t p u tv o l t a g e f i e l da n dt h el a t e ri ss u i tf o rh i g ho u t l x rv o l t a g ef i e l d mu n s t e a d yi n p u tc o m m e r c i a l f r e q u e n c ys i n u s o i d a lv o l t a g e w i t h h i g hh a r m o n i ci sm o d u l a t e d i n t ob i - p o l a r i t yt h r e e - s t a t e h i g hf r e q u e n c y v o l a g eb y t h e m p u tc y c l o c o n v e r t e r , b i - p o l a r i t y t h r e e - s t a t eh i g l lf r e q u e n c y a c v o l a g e i sd e m o d u l a t e di n t o u m - p o l a r i t y t h r e e - s t a t es _ p 崎ntw a v eb yt h e o u t p u t c y c l o c o n v c r t e r a n d t h e m - p o l a r i t y t h r e e - s t a t es p w mw a v ei sf i l t e ri n t o s t e a d y c o m m e r c i a lf r e q u e n c ys i n u s o i d a lv o l t a g ew i t hl o wh a r m o n i c b yu s i n gd h a s es h i f t i n g c o n t r o lb e t w e e n r i g b tb r i d g el e g a n dl e f t b r i d g el e g ，t h eo u t p u tc y c l e c o n v e r t e r c o m m u t a t i n gw h i l et h eb i - p o l a r i t yt h r e e - s t a t eh i 曲f r e q u e n c ya cv o l a g ef r o mt h ei n p u t c y c l o c o n v c 健ri s 勰m ，a n dc o m m u t a t i o no v e r l a po f t h eo u t p u tc y c l o c o n v e r t e ra n dp o l a r i t y s e l e c t i o no ft h ei n p u tv o l t a g e ，t h el e a k a g ei n d u c t a n c ee n e r g ya n dt h eo u t p u tf i l t e r i n g l n d u c t a n c ec u r r e n t 8 陀n a t u r a l l y c o m m u t a t e d 。a n dz v ss w i t c h i n go ft h e o u t p u t c y c l o c o n v e r t e r a r e r e a l i z e d ，t h es u r g ev o l t a g ea n ds u r g e c r i t e n to ft h e o u t p u t c y c l o c o n v e r t e r sa g oo v o r c o l n e n 屺t w e l v ek i n d so f m o d e sa n de q u i v a l e n tc i r c u i t sw i t l l i n o r eh i g h f r e q u e n c ys w i t c h i n gp e d o da r cc a r e f u l l ya n a l y s e s b yu s i n gt h es t a t e - s p a c e a v e r a g i n ga p p r o a c h , t h ec o n v e r t e r sa v e r a g i n gm o d e li sp r e s e n t e d , t h eo u t p u tc h a r a c t e r i s t i c c u l v ea n dd e s i g nc d t e r i o no fk e yc i r c u i tp a l a m c t e r s s u c h 船o u t p u tv o l t a g e f i l t e r i n g i n d u c t a n c e c o l r i g o rc o n d u c t i o nt i m e , u n i - p o l a r i t ys p w mw a v e 岛r f 赶sd u t yc y c l ee t ca 球 g i v e n 删sk i n do fc o n v e r t e rh a st h ea d v a n t a g e ss u c ha sh i g l lf r e q u e n c ye l e c t r i c a l i s o l a t i o n , s i m p l et o p o l o g y , t w o - s t a g ep o w e rc o n v m s i o n ( l f a c h f a c l f a c ) , h i g hp o w e r d e n s i t y , b i - d i r e c t i o n a lp o w e rf l o w , s o rc o m m u t a t i o no f o u t p u tc y c l o c o n v e r t e r ，u n i p o l a r i t y s p 、酮mw a v e f o r m 1 1 0a u d i on o i s ec t c n 圮c o r r e c t i o na n da d v a n c eo f t h en e w c o n c e p to f t h e2 2 0 v 1 0 ( 5 0 h z y 2 2 0 v ( 5 0 h z 、 m - 一l m t yp h a s e - s h i f t e dc o n t r o l l e dv o l t a g em o d ea c a cc o n v e f t fw i t hi i i 豳f r e q u e n c y a c1 i n ki sf l m yv e r i f i e d b y t h es i m u l a t i o na n dt h ep r i c i n p l et e s t 1 1 l i sk i n do fc o n v e r t e r 1 a y t h ek e yt e c h n i c a lf o u n d a t i o n0 nn e w t y p ee l e c t r o n i ct r a n s f o r l t l c r ，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 y , a cr e g u l a t o r k c y w o r d s ：u n i - p o l a r i t y p h a s e s h i f t i n gc o n t r o l ，h i g hf r e q u e n c y a cl i n k a c a cc o n v e r t e r ，c y c l o c o n v e r t e r ，s o f tc o m m u t a t i o n 堕室堕窒塾墨查兰堡主兰堡垒兰 第一章绪论 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 逆变器高频环节变 换技术l l 2 1 的研究，已取得了显著的成果：对a c a c 变换技术的研究仅限于交流负载 与交流电网无电气隔离的可控硅相控变频器【3 】、矩阵变换器【4 】和交一直一交型高频环节 a c d c a c 变换器1 1 】。 本章系统地论述了a c a c 变换技术的发展、现状以及应用前景，指明了高频环 节a c i a c 变换技术的若干研究重点，介绍了本文的主要意义与研究内容。 1 1a c i 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 或另一频率和幅值的交流电能的一种交流装置，供交流负载用电。 交流稳压器是a c a c 变换器典型应用领域之一。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、故障停电、浪涌以及尖峰脉冲等高频干扰。这些设备的使用 主要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。由予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。 1 2 传统的a c a c 变换技术 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 频嗓啬大、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、离交换效率、离频电气隔离、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得 多。 2 可控硅相控变频器 传统的可控硅相控变频器，如图卜1 所示。适当地控制正、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。以曼榻挢式- 单相交频电路例， l 单极性移相控制电压源高频交流环节a c a c 变换嚣研究 其电路图如图1 2 所示，波形图如图1 3 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，输出波形也越好。可控硅相控变频器多用于低速大功率的拖动。 砸 闺1 1 交交变频器电路结构图1 2 三相桥式单相变频电路 f 盘 融一。一 r x 0 邀獭瓣 要墨基 嫂粼一 5 6 溅 i ： ； 餮勰燃 一 k 琶戆搋“。一送 嬲燮劈泓一 负组! 图卜3 三相一单相变频电路波形( 容性负载) 3 矩阵交换器 矩阵变换器是一种采用i 苒频p 1 i 、技术将任意频率和电压的多相电源直接转换成 b - - 种电源的a c a c 变抉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、输出电压的幅值，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交换器电路结构如图卜4 所示，其中s r 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判三相输出矩阵变换器进 壹塞堕窒塾鲞奎兰堡主堂垡笙苎一 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 i s ，的导通 时间，去控制各个开关管，从而得到输出电压。 图卜j 是基于双向开关的矩阵式交交变换器主电路，功率开关为反向串联的 i g b t ，l 、c 为输入滤波器，t a l t 为三相输出电流霍尔检测器，用于安全换流和 过流保护，输出侧有整流式阻客吸收电路( 图中末画出) 。 图l _ 4 三相输入到三相输出矩阵变换器电路结构示意图 图1 5 矩阵式交吱变换器主电路 然丽可控硅楣控变频器、矩阵变换器均未实现交流负载与交流电网间的电气隔 离，不使用于负载与电网有电气隔离的场合。 1 3 交一直一交型高频环节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，然后再经高频环节逆变器逆变成低频交 流，便可构成交一直一交方案的高频环节a c d c a c 变换器，如图i - 6 所示。显然，这种交 一壹一交方案的高频环节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 几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 3 兰堡堡整塑望型鱼墨塑壹塑銮鎏至蔓垒曼尘里壅鳖堡雯望| - 一 等缺点。 因此。不宜直接采用高频环节逆变技术来实现高功率密度、高变换效率的a c a c 变换。如何尽量减少功率变换级数( 即将低频整流器l f a c d c 与高频逆交器d c h f a c 两级功率变换一体化) 和提高变换效率便成了高额环节a c a c 变换的重要研究课题。 单向功率传递 一喜 lf 日cc 一，一县 一，、。一 l f l f1 寻 l o 工频交流电网低频整流器高频逆变器高频变压器周波变换器工频交流负载 图卜6 直接采用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 本文的主要意义与研究内容 i 4 1 本文的主要意义 高频环节技术对提高电力电子变换器性能起到了关键性作用，人们对高频环节 d c d c 、a c d c 和d c a c 变换技术的研究已取得了显著成果，如何发挥高频环节技术改 善a c a c 变换系统的性能，就是本文的研究内容。深入研究高频交流环节a c a c 变换器 原理，设计新型的电子变压器和正弦交流稳压器，将从根本上提高a c a c 变换系统的综 合性能。因此，高频交流环节a c a c 变换嚣原理研究是电力电子学高频环节技术新颖的 前沿研究内容，是实现高功率密度、高变换效率、高频电气隔离、无嗓音、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和正弦交流稳压器关键技 术基础，将是功率变压器和正弦交流稳压器技术上的巨大变革，具有重大的理论价值和 工程价值。相关技术研究成果可推广应用到交流调压器、航空二次电源变换器 l l j v 4 0 0 h z a c 3 6 v 4 0 0 h z a c 等领域。 本文课题来源是航空基础科学基金( 0 2 f 5 2 0 2 7 ) 、国家自然科学基金 朗 ；_ - _ o j 1 m i 哇一一j 、出s hk妇 鲰矗 ( d ) 输入1 9 8 v 时感性满载( r l = 1 2 1q 、l l 码3 9 8 5 m h 时) 2 0 | 一 一 一一一 | 至 三 | f | |j | f | |圣芝= = i j 一一 乏 | | i 一 一 一 | i i l 一 | | 量 删 蕈焉 | 二 i 二二二二二| |兰 一一 南京航空航天大学硕士学位论文 u d c 日n 一一一- 一一 蛆，菇厂、厂 厂 厂1 广 1 删u 一! 曼 厂厂厂厂广1 - i i n t o s 9 u u d 墨6 ，咖一旦! 生一 ： ： 。 ： 一1 蜊+ 一一- t 4 9 日ta tt 8 * , i sb 6 喀g b 瞄4 “s u d | 5 ( c ) 阻性满载局部展开波形 图3 - l 单极性移相控制电压源高频交流环节a c a c 变换器稳态仿真波形 3 1 2 动态仿真分析与讨论 图3 2 为单极性移相控制电压源高频交流环节a c a c 变换器负载突变时的动态 仿真：波形。在5 1 4 m s 时刻，由空载突变到满载，输出电压l l o 产生振荡尖峰，输出滤 波电感电流“变大；在1 5 1 5 m s 时刻，由满载突变到空载，u o 再一次产生振荡尖峰， “变小并振荡。 图3 - 2 负载突变时瞬森仿真波形 单极性移相控制电压源高频交流环节a c a c 变换器醪塞 由图3 - 2 可知，在负载突变时，变换器输出电压波动较小，迅速由瞬态进入稳态， 变换器输出所受影响很小。 由上可知，当负载发生突变时，输出电压将出现波动，相应地电压误差放大信号 将快速变化，这样就适时改变移相角e 和输入周波变换器两组功率开关的共同导通时 间d t s 2 ，从而使得输入周波变换器迅速由瞬态进入稳态，输出电压得到稳定。 仿真结果均表明：1 ) 变压器原边绕组电压u n i 为单极性三态的高频脉冲交流电 压波；2 ) 输出周波变换器功率开关实现了零电压z v s 开关；3 ) 输出滤波器前端电 压u d c 为单极性s p w m 波，频谱特性好；4 ) 输出电压波形u o 失真度低。仿真、原理 试验结果均与理论分析一致。 3 2 小结 本章概括了单极性移相控制电压源高频交流环节a c a c 变换器电路拓扑，提出 并研究了单极性移相控制电压源高频交流环节a c a c 交换器，得出以下结论： 1 ) 变换嚣输出电压光滑，质量好，能适应各种负载： 2 ) 变换器具有快的动态响应速度，负载突变时，变换器的输出基本不受影响。 3 ) 变换器的仿真结果与理论分析一致，从而验证了单极性移相控制策略的可行性。 塑塞堕窒堕蒌查堂堡主兰堡垒茎 第四章场控功率器件变频信号隔离式驱动电路 本章论述了适用于场控功率器件变频信号的隔离式驱动电路，包括光耦隔离式驱 动电路和磁耦隔离式驱动电路。分析了这类驱动电路的结构原理、特点及应用接线。 这类驱动电路在单极性移相控制电压源高频交流环节a c a c 变换器及其它变换器中 具有重要应用价值。 4 。1 引言 驱动电路和缓冲电路是电力电子变换器的两大主题。按照功率器件类型划分，驱 动电路可分为电流型控制器件驱动电路和电压型控制器件( 如m o s f e t 、i g b t 、s i t 、 s i t h 、m 凹等场控器件) 驱动电路；按照驱动电路输入与输出是否共地划分，驱动电 路可分为非隔离式驱动电路和隔离式驱动电路。隔离式驱动电路又可分为光耦隔离式 驱动电路和磁耦隔离式驱动电路两种。 驱动信号通常有p w m 信号、s p i l m 信号、变频信号等，如图4 - 1 所示。光耦隔离式 驱动电路适用于这兰种信号的驱动，即变频信号光耦隔离式驱动电路与恒频信号光耦 隔离式驱动电路相同，如y 5 7 9 6 2 l 、a 3 1 2 0 、e x b 8 4 0 等驱动电路：而磁耦隔离式驱动电 路对于不同类型的信号，其类型也不同。p i i y 信号和s p 硼信号属于恒高频信号，其磁 耦隔离式驱动电路可以采用简单的正激式驱动电路；变频信号磁耦隔离式驱动电路却 有很大的特殊性，即变频信号频率很低时( 如5 0 h z 、4 0 0 h z ) 将导致隔离变压器体积、 重量过大，因此需要将低频信号高频调制、高频变压器隔离、再解调成与输入信号相 同的低频信号。 僵颡s p w m 信号 z历朋 几n 门丌厂 变频信号 图4 - lp w m 信号、s p i n t 信号、变频信号示意图 单极性移相控制电压源高频交流嚣节a c a c 变换器功率器件的驱动信号为变频 信号，频率为5 0 k h z 。因为许多常用的驱动电路仅适用于恒频驱动信号而不适用于变 频驱动信号或者仅适用于低频驱动信号而不适用于高频驱动信号，所以并非所有的驱 动电路都适用于该变换器。因此对适用于该变换器的高频、变频信号驱动电路进行研 究成为该变换罂的重要研究内容之一。 本章主要对场控功率器件变频信号隔离式驱动电路的原理及其应用进行了论述。 这些驱动电路亦适用予低恒獭信号( 如5 0 1 t 石、4 0 0 h 茹方波信号) 。 单极性移相控制电压源高频交流环节a c a c 变换器研究 4 2 场控功率器件变频信号光耦隔离式驱动电路 4 2 1m 5 7 9 6 2c a ) l m 5 7 9 5 9 ( a ) l 光藕隔离式驱动电路 m 5 7 9 6 2 ( a ) l m 5 7 9 5 9 ( a ) l t l 4 l 是日本三菱公司生产的用于驱动i g b t 模块的光祸隔 离式驱动芯片，内部结构原理如图4 之( a ) 所示。这类驱动芯片内部集成有光耦，接口， 检测电路，定时复位电路，门关断电路及功放电鼯。当输入驱动信号为高电平时光耦 导通，接口电路把该信号整形后由功放级的n p n 晶体管放大后输出，驱动l g b t ；当 输入驱动信号为低电平时光耦截止，接口电路输出为低电平，功放级的p n p 晶体管导 通，i g b t 极间承受反向电压并关断。这类芯片可驱动6 0 0 v 4 0 0 a 或1 2 0 0 v 2 0 0 a 的 i g b t 模块。 这类驱动芯片的主要特点为：( 1 ) 2 5 v 单电源供电，功耗较小；( 2 ) 内置高速光耦隔 离；( 3 ) 9 b 串电阻可输入c m o s 信号，输入信号与下r l 电平兼容；( 4 ) 有定时逻辑短路 保护功能：( 5 ) 输出驱动信号与输入驱动信号同相位。 b 诎啮g 甄转 ( a ) 结构原理 ( b ) 应用接线 图4 - 2m 5 7 9 6 2 ( a ) l m 5 7 9 5 9 ( a ) l 结构原理及应用接线 m 5 7 9 6 2 l 光耦隔离式驱动电路应用接线如图4 2 ( b ) 所示，电阻q r l 、稳压管 q z 2 、电容q c 2 产生一5 v 的负压，以提高关断速度，增强抗干扰能力，防止误导通； 稳压管q z l 限制管脚1 的电压，防止1 脚电压过商而损坏芯片：稳压管q z 4 、q z 5 串 联后并在i g b t 的g e 两端避免g e 两端电压过高，保护i g b t ；电阻q r 3 抑制i g b t 的 栅极振荡：快恢复二极管q d l 、稳压管q d 2 检测 g b t 是否过流，当过流时i g b t 工作 于退饱和状态，c e 两端电压升高，q d l 由导通转到截止，l 脚电平升高，检测出 g b t 的栅极和集电极同时为高电压，m 5 7 9 6 2 l 判断 g b t 过流，驱动芯片栅压关闭。由于 受w 5 7 9 6 2 l 片内光耦传输速度的影响，随着开关频率增加，此驱动芯片的延迟时间、 上升时问、下降时间也增加。此驱动电路不适用于开关频率过高的场合( 通常限制在 5 0 k h z 以下) 。 4 2 2 a 3 1 2 0 光耦隔离式驱动电路 0 1 2 0 是美国惠普公司生产韵用于驱动i g b t 、m o s f e t 器件的光电耦余器，内 2 4 南塞堕至堕墨查兰堡主兰焦堡茎 一 _ _ 一一 部结构原理如图( a ) 所示。该芯片内部集成有光耦、接口和功放单元，可驱动 1 2 0 0 v 门0 0 a 的i g b t 模块。 该驱动芯片的主要特点为：( 1 ) 大范围工作电压( 1 5 v 3 0 v ) ；( 2 ) 2 安培最小峰值簿 出电流：( 3 ) 最大交换速度5 0 0 n s ；( 4 ) 具有电压锁定保护( u v l o ) 功能；( 5 ) 输出驱动 信号与输入驱动信号同相位。 3 1 ( a ) 结构原理( b ) 应用接线 图4 3a 31 2 0 结构原理及应用接线 a 3 1 2 0 光耦隔离式驱动电路应用接线如图4 - 3 ( b ) 所示。当输入信号为高电平时， a 3 1 2 0 输出为高电平，由功放级的n p n 晶体管放大后输出，驱动功率器件；当输入信 号为低电平时，a 3 1 2 0 输出为低电平，功放级的p p 晶体管导通，功率器件极间承受 反向电压关断。 4 2 3i r 2 1 1 0 光藕( 外加) 隔离式驱动电路 i r 2 1 1 0 1 h l 是国际整漉器公司生产的用于驱动m o s f e t 器件的驱动芯片，内部结 构原理如圈4 叫a ) 所示该芯片内部集成