（电力电子与电力传动专业论文）单四象限功率开关式电流源高频交流环节acac变换器研究.pdf

a b s t r a c t t h ep r e s e ms t a t u s ，d e v e l o p m e n tt r e n da n da p p l i c a t i o nf i d do fa c a cc o n v e n e r sa l e f i r s t l yp r e s e n t e d i nt h et h e s i s t h e nn o v e lc i r c u i ts t r u c t u r ea n dc i r c u i tt o p o l o g i e sf a m i l yo fc u r r e n ts o u r c ea c a c c o n v e r t e r sw i t hh i 。g hf r e q u e n c ya cl i n k ，b a s e do nf l y b a c kc o n v e r t e r , a r cp r o p o s e d t h e c i r c u i ts t r u c t u r ew h i c hc a nt r a n s f e ro n eu n r e g u l a t e ds i n u s o i d a lv o l t a g ew i t hh i g ht h di n t o a n o t h e rr 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 ew i t h1 0 wt h d i sc o n s t i t u t e do f i n p u tc y c l o c o n v e r t e r , h i 曲f r e q u e n c ys t o r a g et 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 n e r , i n p u ta n d o u t p u t f i l t e r t h ec i r c u i tt o p o l o g i e sf a m i l yi n c l u d es i n g l ef o u r - q u a d r a n tp o w e rs w i t c hm o d e ， p u s h - p u l lm o d e ，h a l f b r i d g em o d e ，a n df a l l b r i d g em o d ec i r c u i t s t a k i n gs i n g l ef o u r - q u a d r a n t p o w e r s w i t c hm o d ec i r c u i ta sa n e x a m p l e ，t h eo p e r a t i o n a lm o d e ，s t e a d yp r i n c i p l e s ，t r a n s i e n t v o l t a g e f e e d b a c kc o n t r o ls t r a t e g y ，t h e a u x i l i a r ys w i t c h i n gp o w e rs u p p l ya n dp a r a l l e l t e c h n o l o g yo f t h i sk i t a do fc o n v e r t e r sa r ei n v e s t i g a t e d t h eo u t p u tc h a r a c t e r i s t i cc u r v ea n d t i l ed e s i g nf o rt h ek e yc i r c u i tp a r a m e t e r sa l eg i v e n n l ec u r r e n ts o u r c ea c a cc o n v e n e r s w i t hh i g hf r e q u e n c ya cl i n kh a v et h ea d v a n t a g e ss u c ha ss 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 ，b i d i r e c t i o n a lp o w e rf l o w , h i 出f r e q u e n c ye l e c t r i c a li s o l a t i o n , 9 0 0 dl i n ec u r r e n t w a v e f o r m , s t r o n gl o a da d a p t i n ga b i l i t ya n ds u i tf o rl o wp o w e rc o n v e r s i o nf i e l d s t h e c o r r e c t i o na n da d v a n c eo f t h e s ec o n v e n e r sa r ev e r i f i e db yt h es i m u l a t i o na n dt e s tr e s u l t s k e y w o r d s ：a c a cc o n v e n e lh i g hf r e q u e n c ya cl i n k ，h y b a c kc o n v e r t e r ，c u r r e n ts o u r c e ， t r a n s i e n tv o l t a g ef e e d b a c kc o n t r o l ，t h e a u x i l i a r ys w i t c h i n gp o w e rs u p p l y ， p a r a l l e lt e c h n o l o g y 一 i i 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 本章论述了a c a c 变换器的发展现状与应用前景，介绍了本文的主要意义与研究 内容。 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，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、双向功率流 的新型电子变压器具有重要意义。 高频环节变换技术( h i g hf r e q u e n c yl i n kt e c h n i q u e s ) 即电气隔离电力电子变换 器的高频化技术，是实现电气隔离电力电子变换器高功率密度的有效途径。国内外电力 电子技术研究人员对d c d c 变换器、a c d c 变换器、d c a c 逆变器高频环节技术的研究， 已取得了重要研究成果。高频环节技术引起了电力电子变换器的重大变化“”：电气 隔离式o c o c 变换器变得轻巧：a c d c 整流电源已由传统的工频变压相控整流电路结 构，发展成了高频环节开关型整流电路结构：( 要) d c a c 逆变电源已由传统的带工频变压 器的逆变器电路结构，发展成了高频环节逆变器电路结构。然而，人们对a c a c 变换器 的研究主要限于无电气隔离的a c a c 变换器及有电气隔离的a c d c a c 变换器。 1 1 a c a c 变换器的发展与现状 按照交流负载与交流电网是否有电气隔离来分，a c a c 变换器可分为非电气隔离型 和电气隔离型两类。 1 1 1 非电气隔离型a c a c 变换器 】可控硅相控变频器 传统的可控硅相控变频器嘲实现了a c a c 功率变换，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。以双半波整流电路为 例，如图1 。1 所示。为了在负载端得到交流输出电压，需分别改变正组整流器和反组 整流器的控制角n ，使控制角a 在0 0 9 0 0 之间以适当规律变化，则可获得按正弦规律 变化的平均输出电压。图i - i ( b ) 是按“余弦波交截控制法”控制的相控整流器，控 制角a 满足 堑u c o s a ：x f 2 u os i n 。t (1-1) 了 从而求出各个控制角使变换器输出基波为正弦的电压。这样得到的输出电压谐波含量 多，波形正弦度不高。 单四象限功率开关式电流源高频交流环节a c a c 变换器研究 u = t 2 u s i n a x u b = 一伽s i n 娃 ( a ) 双半波整流电路 、l 彰翳 u b 鸯 u b 邕酊罐隧彦歹多研多多耖酉、 氢包 凭时 )擎八孰 孰孙歹 芗蓼冒蓼歹 ； 镁面 ： ； p - 、 ； j 淤n n ( 1l。-i。忒 1 l j f ，。 3妇i “ 婀 u a 解程 舭姒懒满& 乡娥勒7 1 醴 2 挚。叫 一 反l【整硫 一i 如 组逆霉 ( b ) 工作波形 图1 - 1 双半波整流电路 2 矩阵变换器 矩阵变换器“1 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，具有输入电流波形好、功率因数高、双向功率流、无中间 储能环节、输出电压频率可高于或低于输入电压频率、控制复杂等特点。三相输入到 三相输出矩阵变换器拓扑结构如图1 - 2 ( a ) 所示，其中s ，& 为双向功率开关，用于 阻断任意方向的电压和电流。对图卜2 ( b ) 所示的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，然后根据所需要的输出电压大小计算出各个开 关管导通时问，去控制各个开关管，从而得到输出电压。 ， 南京航空航天大学硕士学位论文 ( a ) 拓扑结构示意图 ( b ) 原理图 图1 2 三相输入到三相输出的矩阵变换器 然而，可控硅相控变频器、矩阵变换器均未实现交流负载与交流电网间的电气隔离， 即不适用于负载与电网要求隔离的场合。 1 1 2 电气隔离型a c a c 变换器 1 文献 5 3 提出了一种低频环节半桥p 嘲a c a c 变换器电路拓扑，如图l _ 3 所示， 其中s ，、s 二、s 。均为双向功率开关。这种电路拓扑实际是由两个a c a cb u c k 变换器互 补地t 作，文献仅对纯电阻负载时的原理作了简单分析，而且得到的输出电压波形畸变 现象严重，明显存在三次谐波分量。该变换器由于变压器工作在低频下，变压器体积重 量大，很难提高功率密度。 单四象限功率开关式电流源高频交流环节a c a c 变换器研究 图1 - 3 半桥p 贼a c a c 变换器电路拓扑 2 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，如图卜4 所示。显然，这种 交一直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 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。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。 单向功率传递 d c 尘 一晷 z王 t 【c 潲 可 ， - 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1 - 4 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 2a c a c 变换器的应用前景 a c a c 变换器有广泛的应用领域，如交流稳压场合、交流调压场合、交流变频调速 场合。在交流电网质量较差时，交流稳压器( 如2 2 0 v 1 0 5 0 h z a c 2 2 0 v 5 0 h z a c ) 可以 对电网稳压、净化；在工业生产和日用电气设备中，许多设备( 如加热炉、电光源、 小型交流电动机、电焊机) 需使用交流调压器( 如2 2 0 v 1 0 5 0 h z a c 1 1 5 v 5 0 h z a c 或 1 1 5 v 4 0 0 h z a c 3 6 v 4 0 0 h z a c ) ，满足设备的电压匹配要求；许多交频器( 如 2 2 0 v s o h z a c 1 1 5 v 4 0 0 h z a c 或1 1 5 v 4 0 0 h z a c 2 2 0 v 5 0 h z a c ) 可实现航空电和民用电的转换。 把高频环节变换技术引入到a c a c 变换器中，会有效的提高a c a c 变换器的功率密度、 变换效率。深入研究高频环节a c a c 变换器原理，设计的新型电子变压器、正弦交流稳 4 南京航空航天大学硕士学位论文 压器和交流调压器，将取代传统的变压器，有着广泛的应用前景。 1 3 本文主要意义和研究内容 1 3 1 本文主要意义 本文课题来源于国家自然科学基金( 5 9 9 7 7 0 1 0 ) 及江苏省自然科学基金( b k 9 9 1 2 1 ) 资助项目。其主要意义如下： 1 高频环节a c a c 变换技术是当今功率电子学的重要研究内容。本课题提出了电流 源高频交流环节a c a c 变换器电路结构及其电路拓扑族，丰富了功率电子学的研究内 容。 2 电流源高频交流环节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、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，在小功率场 合具有广阔的应用前景。 3 相关的技术成果可推广应用到应用于科研生产、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 3 2 本文主要研究内容 本文以单四象限功率开关式电路拓扑为例，研究电流源高频交流环节a c a c 变换 器，主要研究内容是： 1 论述了a c a c 变换器的发展现状以及应用前景： 2 提出了电流源高频交流环节a c a c 变换器电路结构及其拓扑族，对这类变换器 的稳态原理、控制策略、关键电路参数设计准则进行了深入研究，并进行了p s p i c e 仿 真分析； 3 对电流源高频交流环节a c a c 变换器并联扩容技术进行了仿真研究； 4 介绍了机内辅助开关电源的设计与实现； 5 详细介绍了单四象限功率开关式电流源高频交流环节a c a c 变换器各部分电路 构成和关键电路参数的设计，给出了试验结果； 6 对本文主要工作进行了总结，提出了进一步工作的设想。 雎四象限j 率，f 天式 u 流源高频交流q 、1 ，a c a c 变换器研究 第二章电流源高频交流环节 a c a c 变换器电路拓扑与原理特性 本章提出并深入研究了基于反激f l y b a c k 变换器的i 乜流源高频交流环，a c a c 变 换器i b 路结构及拓扑族，分析了其工作原理、工作模式、外特性及其控制策略，给 关键电路参数设计，仿真验证了这类变换器的可行性。 2 1 电流源高频交流环节a c a c 变换器电路结构与拓扑族 2 1 1 电路结构 拱于反激f l y b a c k 变换器的电流源高频交流环节a c a c 变换器电路结构，如阁2 - l ( a ) 所示。该电路结构山输入周波变换器、高频储能式变压器、输出周波变换器以及输入、 输 | 滤波电路构成，具有高频电气隔离、电路拓扑简洁、两级功率变换 ( l f a c h f a c l f a c ) 、双向功率流、网侧电流波形正弦度高、负载适应能力强、适合 于小功率变换场合等特点，能够将一种不稳定劣质的证弦交流电变换成另一种同频率稳 定的优质币弦交流电。输入周波变换器由四象限功率丌关( 能承受双向电压应力和双向 电流应力) 构成，输出周波变换器由两个二象限功率丌关构成。 当电网向负载传递功率时，输入周波变换器将低频交流电压调制成高频脉动电流， 输出周波变换器将高频脉动电流解调，通过输出滤波电容滤波后得到低频交流电压， 输入交流滤波器容易使得网侧电流波形质量高；当负载向电网回馈能量时，输出周波 变换器工作在调制状态，输入周波变换器工作在解调状态。 2 1 2 电路拓扑族 电流源高频交流环节a c a c 变换器电路拓扑族，包括单四象限功率开关式、推挽 式、半桥式、金桥式电路，如图2 - 1 ( b ) ( e ) 所示，已申请中国发明专利( z l 0 1l 2 7 1 8 4 1 ) 、 图中s i ( s l ) 、s 2 ( s 2 ) 、s 3 、s 4 为功率开关，而s l 。( s d ) 、s 2 a ( s 2 a ) 为辅助丌关。辅助开关 可以对高频储能式变压器原边漏感引起的电压尖峰起到箝位作用。单四象限功率丌关 式、推挽式电路适合于低压输入小功率变换场合，半桥式、全桥式电路适合于高压输入 小功率变换场合。 慷田 交流电踊植入漳避嚣输入膈谴空揖e 罨高频傅l l 式竟压嚣蝴渡变= 婚插出站e 鼍交斑受j 院 ( a ) 电路结构 堕塞鉴至堕墨查兰堡圭兰丝堡兰 一一 ( b ) 单四象限功率开关式( c ) 推挽式 u ( d ) 半桥式( e ) 全桥式 图2 - 1 电流源高频交流环节a c a c 变换器电路结构与拓扑族 2 2 电流源高频交流环节a c a c 变换器稳态分析 2 2 1 稳态分析 以图2 - 1 ( 拂所示单四象限功率开关式电路拓扑为例，j c 寸这类变换器进行稳态分析。 2 2 1 1 四种工作模式 按照输出电压l l o 和副边电感电流i l 2 的基波分量i l 2 t 极性划分，电流源高频交流环 节a c a c 变换器有四种工作模式a 、b 、c 、d ，每一种工作模式相当于一个反激f l y b a c k 变换器。 当u o 0 ，i l 2 l 0 时，变换器工作于模式a ，其等效电路如图2 - 2 ( a ) 所示。s 1 高频斩 波，s 2 、s 3 常通，s 4 截止。u i 、l l 、l 2 、s l 、d 4 、c f 、r r 构成一个f l y b a c k 变换器，电 源向负载供电。 当u o 0 时，变换器工作于模式b ，其等效电路如图2 - 2 ( b ) 所示。s 3 高频斩 波，s 1 、s 4 常通，s 2 截止。u i 、l 1 、l 2 、s 3 、d 2 、c r 、r l 构成一个f l y b a e k 变换器，负 载向电源馈电。 当u o o ，i l 21 o ，i l 2 1 3 9 9 7 m h ( 4 - 1 0 ) l 。2 她：单l o 一：1 3 却h 0 ( 4 1 1 ) 同理，计算得b i = l 0 = l 。；j = 8 9 3uh ，k 0 = k ：j = k 。：= b ：j = 2 3 2 9uh 。 ( 6 ) 计算变压器原副边绕组电流有效值 淼裟娑警喊姗如酣5 腧。圭“! 伟! ： 原副边磁化电流1 。，为1 t h 。r li ；，j ， 。】。等 封：! 矜：；：主n = - ：兰：! ! ! l 1 0 9 1 0 6 = o 0 6 2 2 a e 4 - b 原翻边电感电耀菠形 k=盟警=器训a2 or a i n7 、1 。 同理计算得t 。3 _ i 。f f 。= 1 3 a ，r 。= i 。，= i 。= i 。= o 8 1 3 a ，原副边电流峰值为 z 扣= r ；+ 吉1 1 = i 丢：p = = o 嘶t + 吉z 一= 。z s a 1 2 p = 击+ j l k _ 2 1 5 5 a 同理计算得，ia r = 2 6 5 2 a ，i ，= 1 0 2 5 a ，1 。，= 1 1 5 a ( i 。取0 2 a ) 。 原副边电流有效值为 ( 4 - - 1 2 ) ( 4 1 3 ) ( 4 1 4 ) 单四象限功率开关式电流源高频交流环节a c a c 变换器研究 颞硒= 厩五甭 = 01 5 5 a ( 4 1 5 ) i ：2 ( 1 - d ) ( t 知一1 2 p + 拇) = 0 6 8 2 a ( 4 1 6 ) 同理计算得1 3 1 2 8 a ，l = 0 3 3 6 a ，i5 = 0 3 9 a ，取15 = l h ( u c 3 8 4 3 输出晶体管的平均电 流为2 0 0 m a ，峰值电流为1 h ，故取i 。= l h ) ，1 6 = i7 = 1 8 = i 。= o 1 6 8 a 。 ( 7 ) 确定原副边导线线径和股数 取导线电流密度j = 4 0 0 h c m 2 ，根据s = i j 可得原副边导线截面积为s j = o 0 0 0 3 9 c m 2 ， s 2 = 0 0 0 1 7 c m 2 ，8 3 = 0 0 0 3 2 c m 2 ，s l = o 0 0 0 8 4 c m 2 ，s 5 = o 0 0 2 5 c m 2 ，s e = s 7 = s 8 = s 9 = o 0 0 0 4 2 c m 2 ， 考虑到高频集肤效应，开关频率为f s = 5 5 k h z 时，铜导线的穿透深度为 如磊= e i 瓦蔽帚万丽丽却2 8 i i l r n ( 4 1 7 ) 因此所选线径不能超过0 5 6 m m 。n 。选用d 镕# = o 2 3 m m ( s = 0 0 4 1 5 n u n 2 ) 的铜线l 根；n 。 选用d # # = o 4 7 m m ( s = 0 1 7 3 5 n u n 2 ) 的铜线l 根：n 3 选用d 标# = 0 4 5 胁( s = 0 1 5 9 n u n 2 ) 的 铜线2 根并绕：m 选用d 标# = 0 3 3 r a m ( s = o 0 8 5 5 m n 2 ) 的铜线1 根：n 5 选用d # 镕 = 0 3 8 m m ( s = 0 1 1 4 r a m 2 ) 的铜线1 根：n 6 、n ? 、n 8 、n 9 选用d 黼= 0 2 3 m ( s = 0 0 4 1 5 n u n 2 ) 的铜线l 根。 ( 8 ) 校核窗口系数 k 。= 至上! - 二二墨z ! ! z 二i ! a ! ! t ! j ；j ! ! t 二二! ：! ! 螋= o 3 3 o 时为高电平“l ”， u f 4 3 4 c m 4 原副边绕组均采用铜皮，原边绕组3 7 匝，副边绕组3 7 匝。原副边铜皮宽度均取 2 2 m m ，原边铜皮厚度计算值为k j 上2 2 = 2 5 2 6 2 2 = 0 0 4 z m m ，取o - 0 5 m m ；副挚铜皮 厚度计算值为生j 土2 2 = 虿巍= 0 0 4 7 l 砌，取o 0 5 m m a 5 变压器校验 ( 1 ) k u - - 3 7 2 2 x 0 0 面5 + 厂3 7x 一2 2 x 0 0 5 = o 3 8 9 o 4 ( 5 - 9 ) 窗口校验合格； ( z ) 气隙s z , o n l , s o x l o - = 旦! ! 兰；! i ： ；i ：；婴t 。一8 = 。2 s s c m ( 5 - z 。) 当u h - m = 1 9 8 v 时，最大占空比d 。、为 。一2 亚甄1 2 u o 2 而丽压x 2 2 0 = 0 5 2 6( 5 _ 1 1 ) 4 9 单四象腽功率开关式电流源高频交流环节a c a c 变换器研究 i 。= 三半= 三! 旦! ；! 警= s 。a n j j l l i = 3 7 1 5 0 9 = 5 5 8 安匝 里6 ：! ! ! ! 。0 2 6 3 。1 0 6 8 安f f f i t l 。0 4 x 3 1 4 ( 5 1 2 ) ( 5 - 1 3 ) ( 5 - 1 4 ) 则有n 。i l l 一 兰旦5 成立，因此最大电感电流i 。一时磁芯不饱和。 u o 由( 1 ) 和( 2 ) 可知，变压器校验合格。 6 变压器绕制 储能式变压器有两个绕组，由于匝数相同，两个绕组应尽量保持一致性，采取并 绕方式。 5 3 3 功率开关s ，s 。选择 考虑到变流器开关频率为5 0 k h z ，功率开关选用功率m o s f e t 。当u , = 1 9 8 v 带额定 电阻负载时，比。= 0 5 2 6 。 1 功率开关s 。、s 。的选择 参考式( 2 - 1 9 ) 可得一个开关周期内功率开关s ，、s ：的