三相Buck型三電平AC/AC變換器

葉欣+張友軍+張凱+范衛(wèi)平

摘 要： 提出三相Buck型三電平AC/AC變換器的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，研究其電路工作原理，并給出控制策略以實(shí)現(xiàn)輸出電壓和飛跨電容電壓的聯(lián)合控制。相比于兩電平變換器，三相Buck型三電平AC/AC變換器的開關(guān)管數(shù)量加倍，并增加了3個(gè)飛跨電容，但各開關(guān)管的電壓應(yīng)力均降低為原來的[12]，故適用于高輸入電壓大功率應(yīng)用場(chǎng)合。仿真結(jié)果證明了三相Buck型三電平AC/AC變換器及其控制策略的可行性和理論分析的準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞： 三電平； AC/AC變換器； 三相Buck型； 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)； 電壓應(yīng)力； 飛跨電容

中圖分類號(hào)： TN431.1?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2018）04?0134?05

Abstract： The circuit topological structure of three?phase Buck type three?level AC/AC converter is proposed. The operating principle of the circuit is studied. The control strategy is given to realize combination control of the output voltage and the voltage of flying capacitor. In comparison with the two?level converter， the number of switching tubes of the three?phase Buck type three?level AC/AC converter is doubled and three flying capacitors are added while the voltage stress of each switching tube is half reduced. As a result， the converter can be applied in the high input voltage and high power occasions. The simulation results demonstrate the feasibility of three?phase Buck type three?level AC/AC converter and its control strategy， as well as the correctness of theoretical analysis.

Keywords： three?level； AC/AC converter； three?phase Buck type； topological structure； voltage stress； flying capacitor

三電平（Three?Level，TL）AC/AC變換器通過增加開關(guān)管數(shù)量，構(gòu)造出中間電平，使得變換器各開關(guān)管的電壓應(yīng)力降低為原來的[12]，因此可應(yīng)用于高壓大功率場(chǎng)合，并可用較多的電平數(shù)去逼近希望的輸出波形，從而能夠大大地改善輸出波形質(zhì)量，降低變換器的開關(guān)頻率和開關(guān)損耗，減小濾波器的體積，提高變換器的效率[1?8]。目前三相三電平AC/AC變換器的研究較少，更多集中在三相整流和三相逆變電路。文獻(xiàn)[9]研究三相三電平PWM整流器，不僅降低了開關(guān)管電壓應(yīng)力，還提高了整流器功率因數(shù)，并抑制電流諧波；文獻(xiàn)[10]研究二極管箝位型三電平逆變器，實(shí)現(xiàn)三電平逆變器輸出高質(zhì)量的電壓波形。本文提出三相Buck型三電平AC/AC變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并分析其電路工作原理，給出相應(yīng)控制策略，最后通過仿真驗(yàn)證其可行性和理論分析的正確性。

1 電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本文提出的三相Buck型三電平AC/AC變換器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。其中S1，[S′1]和S4，[S′4]（A組開關(guān)管），S2，[S′2]和S5，[S′5]（B組開關(guān)管），S3，[S′3]和S6，[S′6]（C組開關(guān)管）為三組功率開關(guān)管，高頻通斷時(shí)S1，[S′1]，S2，[S′2]和S3，[S′3]的占空比為D，S4，[S′4]，S5，[S′5]和S6，[S′6]的占空比為1-D。比較三相輸入相電壓uia，uib，uic的大小，當(dāng)其中某相輸入相電壓最小時(shí)，該組開關(guān)管保持導(dǎo)通，其他兩組開關(guān)管則高頻通斷，即每組開關(guān)管在各自[13]個(gè)基波周期里常通，而在另外[23]個(gè)基波周期內(nèi)高頻互補(bǔ)導(dǎo)通。

2 工作原理

根據(jù)三相輸入相電壓，三相Buck型三電平AC/AC變換器存在如下三種工作情況：A相最?。籅相最?。籆相最小。各開關(guān)管通斷狀態(tài)如圖2所示。

當(dāng)開關(guān)管占空比D>0.5和D<0.5，變換器的工作狀態(tài)有所不同，本文以B相電壓最?。ù藭r(shí)B組開關(guān)管常通）為例，對(duì)變換器的工作狀態(tài)加以分析。

2.1 D>0.5時(shí)

當(dāng)D>0.5時(shí)，A相對(duì)應(yīng)4個(gè)開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電壓波形展開，如圖3所示。在一個(gè)開關(guān)周期里，變換器存在4種開關(guān)模態(tài)，如圖4所示。變換器工作過程描述如下：

1） 開關(guān)模態(tài)1：[t0，t1]。t0時(shí)刻，開關(guān)管S1，[S′1]，S3，[S′3]導(dǎo)通，S4，[S′4]，S6，[S′6]關(guān)斷，如圖4a）所示。飛跨電容電壓uCy1，uCy3保持不變。此時(shí)S4和[S′4]的電壓應(yīng)力為[uiab2]，S6和[S′6]的電壓應(yīng)力為[uicb2]，其余各管電壓應(yīng)力為0。

2） 開關(guān)模態(tài)2：[t1，t2]。t1時(shí)刻，開關(guān)管S1，[S′4]，S3，[S′6]導(dǎo)通，[S′1]，[S′3]，S4，S6關(guān)斷，如圖4b）所示。飛跨電容充放電（其充電或放電由電容的電流方向決定，下同），此時(shí)[S′1]和S4的電壓應(yīng)力為[uiab2]，[S′3]和S6的電壓應(yīng)力為[uicb2]，其余各管電壓應(yīng)力為0。endprint

3） 開關(guān)模態(tài)3：[t2，t3]。t2時(shí)刻，開關(guān)管S1，[S′1]，S3，[S′3]導(dǎo)通，S4，[S′4]，S6，[S′6]關(guān)斷，其工作過程同模態(tài)1。

4） 開關(guān)模態(tài)4：[t3，t4]。t3時(shí)刻，開關(guān)管[S′1]，S4，[S′3]，S6導(dǎo)通，S1，[S′4]，S3，[S′6]關(guān)斷，如圖4c）所示。其工作過程同模態(tài)2類似，區(qū)別在于，S1和[S′4]的電壓應(yīng)力為[uiab2]，S3和[S′6]的電壓應(yīng)力為[uicb2]，其余各管電壓應(yīng)力為0。

2.2 D<0.5時(shí)

當(dāng)D<0.5時(shí)，A相對(duì)應(yīng)四個(gè)開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電壓波形展開，如圖5所示。

由圖5可知在一個(gè)開關(guān)周期里，變換器存在4種開關(guān)模態(tài)。

1） 開關(guān)模態(tài)1：[t0，t1]。開關(guān)管S1，[S′4]，S3，[S′6]導(dǎo)通，[S′1]，S4，[S′3]，S6關(guān)斷；

2） 開關(guān)模態(tài)2：[t1，t2]。開關(guān)管S4，[S′4]，S6，[S′6]導(dǎo)通，S1，S1，S3，[S′3]關(guān)斷；

3） 開關(guān)模態(tài)3：[t2，t3]。開關(guān)管[S′1]，S4，[S′3]，S6導(dǎo)通，S1，[S′4]，S3，[S′6]關(guān)斷；

4） 開關(guān)模態(tài)4：[t3，t4]。開關(guān)管S4，[S′4]，S6，[S′6]導(dǎo)通，S1，[S′1]，S3，[S′3]關(guān)斷。其中模態(tài)1和模態(tài)3分別與D>0.5時(shí)的模態(tài)2和模態(tài)4相同，在此不再贅述。

當(dāng)開關(guān)管S4，[S′4]，S6，[S′6]導(dǎo)通，S1，[S′1]，S3，[S′3]關(guān)斷，如圖6所示。飛跨電容電壓uCy1，uCy3保持不變。此時(shí)S1和[S′1]的電壓應(yīng)力為[uiab2]，S3和[S′3]的電壓應(yīng)力為[uicb2]，其余各管電壓應(yīng)力為0。

3 控制策略

若不對(duì)飛跨電容兩端電壓進(jìn)行控制，會(huì)導(dǎo)致三相Buck型三電平AC/AC變換器各開關(guān)管電壓應(yīng)力嚴(yán)重不均等。為此，本文對(duì)輸出電壓和飛跨電容電壓進(jìn)行聯(lián)合控制，其控制策略（僅以A相為例）如圖7所示。

輸出電壓反饋信號(hào)uoab_f和輸出電壓基準(zhǔn)信號(hào)uoab_ref比較后，經(jīng)輸出電壓PI調(diào)節(jié)器得到誤差放大信號(hào)ue_o；飛跨電容電壓反饋信號(hào)uc1_f和飛跨電容電壓基準(zhǔn)信號(hào)uc1_ref比較后，經(jīng)飛跨電容電壓PI調(diào)節(jié)器得到誤差放大信號(hào)ue_c；ue_o和ue_c分別乘以權(quán)重K1和K2后相加，再經(jīng)載波uc_1調(diào)制后得到高頻PWM信號(hào)uPa1，同時(shí)ue_o和ue_c分別乘以權(quán)重K1和K2后相減，再經(jīng)載波uc_2（與uc_1相差180°相角）調(diào)制后得到高頻PWM信號(hào)uPa2；三相電壓兩兩比較后得到A相最小相位信號(hào)uPa；uPa1，uPa2分別反向得到uNa1，uNa2；最后，uPa1，uNa1，uPa2，uNa2與A相電壓最小信號(hào)uPa相互邏輯與后得到開關(guān)管S1，S4，[S′1]，[S′4]的控制信號(hào)[KS1，KS4，KS′1，KS′4]。

4 仿真結(jié)果

利用Saber軟件，對(duì)三相Buck型三電平AC/AC變換器進(jìn)行原理仿真。仿真參數(shù)如下：輸入線電壓幅值為380 V，即輸入相電壓幅值為220 V，Cflyi=3.3 μF，Lfi=1.5 mH，Cfi=10 μF（i=1，2，3）；開關(guān)頻率為50 kHz。

圖8為輸出線電壓幅值為250 V，占空比大于0.5的仿真波形。圖9為輸出線電壓幅值為150 V，占空比小于0.5的仿真波形。

由圖8和圖9可以看出，當(dāng)占空比D>0.5或D<0.5時(shí)，飛跨電容電壓都跟隨其所在相及另外兩相之間線電壓的[12]和零電壓三者之間的最大值，變換器的開關(guān)管電壓應(yīng)力為輸入線電壓幅值的[12]。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文提出了一種新穎的電路拓?fù)洌喝郆uck型三電平AC/AC變換器。詳細(xì)分析了三相Buck型三電平AC/AC變換器的工作原理，并給出相應(yīng)的控制策略以實(shí)現(xiàn)輸出電壓和飛跨電容電壓的聯(lián)合控制。當(dāng)其中一相相電壓最小時(shí)，其對(duì)應(yīng)開關(guān)管常通，另外兩相對(duì)應(yīng)開關(guān)管高頻斬波。飛跨電容的電壓按一定的控制規(guī)律變化。整個(gè)控制策略簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。相對(duì)于三相Buck型兩電平AC/AC變換器，三相Buck型三電平AC/AC變換器的開關(guān)管電壓應(yīng)力減為輸入線電壓的[12]。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳可.脈寬調(diào)制三電平AC/AC變換器的研究[D].蘇州：蘇州大學(xué)，2016.

CHEN Ke. Research on PWM three?level AC/AC converter [D]. Suzhou： Soochow University， 2016.

[2] 王付勝，田龍祥，徐佳益，等.一種高效軟開關(guān)三電平逆變器研究[J].電力電子技術(shù)，2016，50（10）：1?4.

WANG Fusheng， TIAN Longxiang， XU Jiayi， et al. Study of a novel high efficiency soft switching three?level inverter [J]. Power electronics， 2016， 50（10）： 1?4.

[3] 賈宇向，李潤(rùn)娟，劉濤.基于SPWM的Z源T型三電平逆變器中點(diǎn)平衡和升壓控制[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2016，39（21）：153?158.

JIA Yuxiang， LI Runjuan， LIU Tao. Neutral point balance and boost control of Z?source T?type three?level inverter based on SPWM [J]. Modern electronics technique， 2016， 39（21）： 153?158.endprint

[4] 石勇，楊旭，王兆安.新型三電平PWM交流斬波器[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2003，18（6）：7?11.

SHI Yong， YANG Xu， WANG Zhaoan. A novel three?level PWM AC chopper [J]. Transactions of China electrotechnical society， 2003， 18（6）： 7?11.

[5] 石勇，楊旭，王兆安.三電平交流斬波電路及其浮動(dòng)電容電壓控制策略的研究[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，37（12）：1276?1279.

SHI Yong， YANG Xu， WANG Zhaoan. Research on a novel three?level AC chopper and voltage controlling method of the flying?capacitor [J]. Journal of Xian Jiaotong University， 2003， 37（12）： 1276?1279.

[6] 王立喬，劉青.時(shí)鐘交錯(cuò)定頻積分控制的三電平交流斬波器[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2010，14（3）：51?56.

WANG Liqiao， LIU Qing. Clock?interleaved constant frequency integration controlled three?level AC chopper [J]. Electric machines and control， 2010， 14（3）： 51?56.

[7] 楊君東，李磊.Buck?Boost式三電平單級(jí)AC/AC變換器[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2010，25（2）：107?113.

YANG Jundong， LI Lei. A Buck?Boost mode three?level single?stage AC/AC converter [J]. Transactions of China electrotechnical society， 2010， 25（2）： 107?113.

[8] 韋徵，李磊.正激式交?交型三電平AC/AC變換器[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2009，24（12）：109?116.

WEI Zheng， LI Lei. Forward?mode three?level AC/AC converter [J]. Transactions of China electrotechnical society， 2009， 24（12）： 109?116.

[9] 景巍，譚國(guó)俊，趙張飛，等.三電平PWM 整流器的研究[J].電力電子技術(shù)，2010，44（10）：22?24.

JING Wei， TAN Guojun， ZHAO Zhangfei， et al. The study of three?level PWM rectifier [J]. Power electronics， 2010， 44（10）： 22?24.

[10] 林磊，鄒云屏，鐘和清，等.二極管箝位型三電平逆變器控制系統(tǒng)研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2005，25（15）：33?39.

LIN Lei， ZOU Yunping， ZHONG Heqing， et al. Study of conrol system of diode?clampped three?level inverter [J]. Proceedings of the CSEE， 2005， 25（15）： 33?39.endprint