时钟交错定频积分控制的三电平交流斩波器

王立乔， 刘青

（燕山大学电力电子节能与传动控制河北省重点实验室，河北秦皇岛 066004）

0 引言

交流斩波器作为一种直接AC-AC变换电路，具有输入电流为正弦波、网侧功率因数高、滤波器尺寸小以及功率密度高等优点，广泛应用于工业加热、灯光控制、异步电机软启动及调速等领域［1－2］。而在高压大容量场合，如大容量交流传动系统、非隔离电力电子变压器［3］等，传统的交流斩波器拓扑不再适用;这是因为电力电子器件的电压等级无法满足装置耐压等级的要求。多电平技术是解决这一问题的有效办法。多电平变流器［4－5］可以直接输出高电压而无需变压器或电抗器，也没有器件直接串、并联带来的串联均压、并联均流问题，因此成为高压大容量电力电子装置中最具发展前景的拓扑结构。同时，多电平技术用较多的电平数去逼近所希望得到的波形，可以使输出电压或电流的质量大大提高、谐波含量减小，开关频率也可以相应降低。

多电平技术在逆变、整流及 DC-DC变换［6－11］等方面的应用已经相当广泛，而对于其在交流斩波器中的应用并不多见。在不多的几篇文献［12－13］中，也仅限于对其拓扑结构和工作原理的研究。这对于多电平斩波器的推广应用是不利的。本文对多电平交流斩波器的闭环控制进行了深入的分析和研究，提出了基于时钟交错的定频积分控制策略，实现了多电平交流斩波器的闭环控制。

二电平交流斩波器的闭环控制多采用PI控制［14］，包括电压瞬时值PI控制和电压平均值PI控制，其缺点是动态响应慢，鲁棒性能差，调节能力弱。采用单周期控制或定频积分控制［15－16］可以有效地解决上述问题。当然，对于多电平交流斩波器，还需要对定频积分控制进行一些扩展和改造，才能适用于新的拓扑结构。本文在对一种单相三电平交流斩波器工作原理深入分析的基础上，提出了适用于其拓扑结构和工作原理的新型控制策略，即时钟交错的定频积分控制，实现了对单相三电平交流斩波器的闭环控制。

1 工作原理

单相三电平交流斩波器电路的拓扑结构如图1所示，它包括4个双向开关、浮动电容C1、滤波电感L和滤波电容C。S1，S2，S3，S4分别为4个双向开关管，每个双向开关管分别由2个全控型器件反向串联组成。文献［12］对其4种工作模式进行了详细介绍，如表1所示:设定开关导通状态设为“1”，开关关断状态设为“0”。根据这种三电平交流斩波器的构造方法，可以构造出电平数更多的交流斩波器;基本的构造规律是n电平交流斩波器需要2（n－1）个双向开关，n（n－3）/2+1 个浮动电容［4］。

图1 单相三电平PWM交流斩波器拓扑Fig.1 Single phase three-level PWM AC chopper topology

表1 三电平交流斩波器的四种工作模式Table 1 Four operation modes of three-level AC chopper

当电路工作状态在模式1、模式2和模式4之间切换时，输出电压波形在Uin/2和Uin之间变化，如图2（a）所示。当电路工作状态在模式1、模式2和模式3之间切换时，输出电压波形在0和Uin/2之间变化，如图2（b）所示。要达到如图2所示的理想波形，需要对一个周期内电路的工作状态进行合理的分配。

图2 输出电压波形Fig.2 Output voltage waveform

2 控制方式

当要求输出电压幅值大于Uin/2时，采用的控制方案为:使电路的工作状态在工作模式1、工作模式2和工作模式4之间切换。其4个开关管的触发脉冲如图3（a）所示。电路工作过程如下:开始，使电路工作在模式 4，开关 S1、S2开通，S3、S4关断，电源把电能传递给负载，当输出电压达到某一给定时，开关S2关断，开关S3开通，电路转入模式1工作，此时电源给浮点电容充电。经过半个周期后，电路又转入模式4工作，此时电源又通过开关S1、S2把电能传递给负载。当输出电压达到某一定值时，开关S1关断，S4导通，此时，电路转入模式2工作，浮点电容开始放电，把电能传递到负载。通过改变S2、S1的脉冲宽度可以改变模式4的工作时间，进而改变模式1和模式2的工作时间，最终改变输出电压的大小。

图3 各开关管驱动脉冲信号Fig.3 Trigger pulse signal of each switch

当要求输出电压小于Uin/2时，采用的控制方案为:使电路的工作状态在工作模式1、工作模式2和工作模式3之间切换。其4个开关管的触发脉冲如图3（b）所示。工作原理分析如下，开始，使电路工作在模式1，即开关管 S1、S3导通，开关管 S2、S4关断。电源给浮点电容充电，并把电能传递给负载，当输出电压达到某一给定值时，开关S1关断，S4导通，电路转入模式3工作，此时电感上的电流通过开关管S3、S4续流，电感电流减小。经过半个开关周期之后，开关S2导通，S3关断，浮点电容开始放电，电路工作在模式2，将电能提供给负载，当输出电压达到某一给定值时，开关S2关断，S3导通，此时电路又转入模式3工作。当一个周期结束后，又开始工作在模式1，如此周而复始。可以通过改变S1、S2的脉冲宽度，进而改变模式1的工作时间和模式2的工作时间，最终改变输出电压的大小。

在稳态情况下，浮动电容上的电压保持基本恒定，在一个开关周期Ts内，电容充放电时间保持相等，即模式1和模式2的工作时间相等。

通过对比分析可知，上述两种情况有如下共同点:开关管S1与S4的驱动脉冲互补，开关管S2与S3的驱动脉冲互补，而且开关管S1与S2的驱动脉冲相差Ts/2。不同之处为各开关管的脉冲宽度。

3 闭环控制

对于交流斩波器的闭环控制，传统上有两种:电压瞬时值PI控制和电压平均值PI控制。普通的电压瞬时值PI控制属于线性控制，应用在AC/AC变换中，带宽有限，无法完全消除静差，动态性能差，调节能力弱。电压平均值PI控制虽然能够消除静差，却附加了平均值提取的电路，结构复杂，增加了系统的惯性;尤其是当输入电压或负载产生突变时，系统的动态响应速度就会更慢。

定频积分控制作为一种非线性控制方式，解决了传统控制方式中存在的问题，具有动态响应快，跟随性能好，调节能力强，结构简单等优点，其工作原理如图4所示。

图4 定频积分控制原理图Fig.4 Principle diagram of constant frequency integration control

控制电路需要产生4路信号，这4路信号可分为2组，每组中的2个信号互补，并与另外一组中对应的信号各相差Ts/2。由于普通的定频积分器只能产生2个互补的信号，因而不能直接应用于本电路中。为此，本文提出基于时钟交错的定频积分控制，用来实现对三电平交流斩波器的闭环控制，电路结构如图5所示:采用2个结构完全相同的定频积分器，并使2个定频积分器的时钟脉冲的上跳沿相差Ts/2，这样每个定频积分器独立控制2路信号，完成了对三电平交流斩波器4个开关管的有效控制。

从图5可以看出，采用时钟交错定频积分控制的三电平交流斩波器，结构非常简单;与通常的AC/AC变换器闭环控制策略相比，控制电路没有绝对值转换电路或平均值提取电路。时钟交错的定频积分控制集控制与调制于一身，在完成闭环控制的同时，得到各器件的触发脉冲信号，无需PI控制中的载波发生电路。2个定频积分控制器相互独立，无输出占空比限制，也无需通过分频器实现各开关信号的定相，可实现输出电压的全范围调节。时钟交错的定频积分控制通过将时钟信号错开半个开关周期，将定频积分控制扩展应用于三电平交流斩波器。这个方法可以方便推广到电平数更高的场合，对于n电平交流斩波器，需要n－1个定频积分控制器，各个定频积分控制器的时钟脉冲依次错开1/（n－1）个开关周期;这就实现了n电平交流斩波器的时钟交错定频积分控制。

图5 时钟交错定频积分控制的三电平交流斩波器原理Fig.5 Principle diagram of clock-interleaved constant frequency integration controlled three-level AC chopper

4 仿真和实验结果

4.1 仿真结果

本文采用仿真软件对三电平交流斩波器的工作情况做了电路仿真，仿真参数如下:电源电压220 V/50 Hz，浮点电容为 2.0 μF，滤波电感为2 mH，滤波电容为 2.5 μF，输出电阻为 40 Ω，开关频率为40 kHz。

仿真结果如图6所示。图6为浮动电容上的电压波形，由于存在电容充放电过程，所以电容电压产生波动，通过适当选取电容值，使其基本达到稳定。

图7为输出电压Uo、斩波电压Up和输出电流Io的波形。从图7（a）可以看出，斩波电压是在Uin/2～Uin之间变化，输出电压为大于Uin/2。而在图7（b）中，斩波电压在0～Uin/2之间变化，输出电压为小于Uin/2。从图7还可以看到，系统从启动到稳态输出的过渡过程不到1 ms。在17 ms，负载由半载突增为满载;在42 ms，负载由满载突减到半载;系统均在1 ms之内从新达到稳态。由此可知，系统的响应速度很快。从输出电压、电流波形，也可以看出其正弦度非常高，谐波品质优良。

图6 浮动电容上电压波形Fig.6 Voltage waveform of flying capacitor

图7 输出电压Uo、斩波电压Up和输出电流IoFig.7 Output voltage，chopped voltage and output current

4.2 实验结果

为了验证理论分析和仿真研究的准确性，进行了实验研究，参数与仿真参数一致。图8分别给出的是两种不同情况下开关器件S1和S2的触发脉冲，验证了前面理论分析的正确性。实验结果同时表明，时钟交错的定频积分控制可以实现占空比的自动调节，就是说采用时钟交错的定频积分控制即可以实现低于50%的占空比输出，也可以输出实现高于50%的占空比输出，也就是说输出占空比理论上可以从0～100%满幅调节;而采用其他控制器时，如分频器方案时，高于50%的占空比输出与低于50%的占空比输出对应的逻辑关系不同，在占空比输出的同时，必须增加模式切换环节，才能实现满幅调节，时钟交错的定频积分控制则只用一套控制逻辑即可实现满幅调节。

图8 S1和S2驱动脉冲Fig.8 Trigger pulse of S1and S2

图9分别给出的是两种不同情况下输出电压与斩波电压的波形，可以看出与前面理论分析和仿真研究的结果完全一致。

图10给出的是当Uin/2≤Uo≤Uin时，输出电压的频谱，可见其谐波含量极低，实测总谐波畸变率仅为2.64%，说明交流斩波器的输出波形正弦度非常高。当0≤Uo≤Uin/2时，输出电压的频谱与图10类似。

图11给出的是当Uin/2≤Uo≤Uin时，负载从半载向满载切换时输出电压与输出电流的波形。从图中可见，系统的动态过渡过程时间非常短，与图7（a）的仿真结果基本一致。

图9 输出电压Uo和斩波电压UpFig.9 Experimental output voltage and chopped voltage

图10 Uin/2≤Uo≤Uin时，输出电压的频谱Fig.10 Output voltage spectra when Uin/2≤Uo≤Uin

图11 系统从半载向满载切换时的动态波形Fig.11 Dynamic waveform from half load to full load

5 结语

本文分析了基于浮动电容均压方式的三电平交流斩波器的工作原理及控制方式，对比分析了各种闭环控制方式的优缺点，并通过采用时钟交错的定频积分控制方式，将三电平交流斩波器的两种工作情况统一起来，使得输出电压得到满幅调节，并且通过仿真和实验，证实了这种控制方式的可行性。

仿真和实验结果同时证明，时钟交错的定频积分控制具有结构简单，成本低廉，动态响应速度快，输出波形品质好等优点。时钟交错的定频积分控制不仅可以应用到本文所提到的三电平交流斩波器中，也可以应用于其他结构的三电平交流斩波器中。对于更高电平数的电路拓扑，这种控制方式也很容易扩展，有很大的应用前景。

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（编辑:刘素菊）