新型级联式交流斩波器

李 磊 唐栋材

（南京理工大学自动化学院 南京 210094）

1 引言

传统的交流变换器输出的脉冲波大多都是0、1两种电平，在高电压、大容量的情况下，开关管承受的电压应力大，谐波含量多，不利于滤波器的设计[1,2]。三电平变换器输出的脉冲波是0、1/2、1三种电平，开关管电压应力小，谐波含量少，有利于滤波器的设计，可以采用耐压等级低的器件实现电压等级高的电能变换，使得电力电子技术可以应用在高电压、大功率的场合[3-6]。

自1980年日本学者A.Nabse提出三电平中点钳位式逆变器以来，吸引了许多学者致力于探索新的多电平拓扑结构。在DC-DC、DC-AC和AC-DC变换等方面，都取得了显著的成果[7-10]。近年来，有些学者进一步研究多电平技术在交流变换器中的应用，拓扑出非隔离式和隔离式三电平交流变换器。

本文基于基本两电平交流开关单元，得到了三电平交流开关单元，将其应用到基本变换器中获得了三电平交流变换器。将Buck型三电平和Boost型两电平交流变换器进行组合，本文提出了一种新颖的级联式交流斩波器，深入研究了其工作原理和控制策略，并通过实验结果验证了该交流斩波器及其控制策略的可行性和正确性。

2 电路拓扑

2.1 交流三电平开关单元

基于电力电子开关单元的串、并思想，把图1a所示的两电平交流开关单元以串联方式进行组合，可以得到图1b所示的三电平交流开关单元。

图1 交流开关单元Fig.1 AC switch unit

2.2 交流斩波器拓扑

将三电平交流开关单元应用到Buck型交流变换器中，可得到Buck型三电平交流斩波器，如图2所示。

图2 Buck型三电平交流斩波器Fig.2 Buck mode TL AC chopper

Buck型三电平交流斩波器只能实现降压输出，这限制了其应用范围。本文将Buck型三电平和Boost型两电平交流变换器进行组合，提出了一种新颖的级联式交流斩波器，如图3所示。

图3 级联式交流斩波器Fig.3 Cascade mode AC chopper

该级联式交流斩波器结合了Buck型和Boost型变换器的优点，扩大了输出电压的调节范围；但是该交流斩波器的输入输出不共地，而且要求分压电容Cd1、Cd2上的电压相等，否则会导致输出三电平电压不对称，这又限制了该斩波器的应用范围。因此，本文又提出了输入输出共地的级联式交流斩波器，如图4所示。

图4 输入输出共地的级联式交流斩波器Fig.4 Cascade mode AC chopper with input and output sharing the same ground

3 工作原理

为便于分析工作原理，做如下假设：

（1）开关管、二极管、电感和电容均为理想元件，而且电源内阻为零。

（2）浮动电容Cb足够大，可以看作电压为ui/2的恒压源。

（3）一个开关周期内，储能电感电流连续。

按照输入电压极性和储能电感电流极性划分，该交流斩波器可分为A(ui＞0，iLf＞0)、B(ui＞0,iLf＜0)、C(ui＜0,iLf＜0)和D(ui＜0,iLf＞0)四个工作区间，每个工作区间都包含有四种开关模态。由于开关管工作在高频状态，在一个开关周期内，斩波器工作状态可以等效为直流状态。该交流斩波器的原理波形如图5所示。

图5 级联式交流斩波器的原理波形Fig.5 Pricipal waveforms of cascade mode AC chopper

3.1 工作区间A(ui>0，iLf>0)

在此工作区间，开关管S1、S2′、S3′、S4、S5和S6′高频斩控，其余开关管常通，交流电源向交流负载传递能量。一个开关周期内可以分为四个开关模态：

（1）开关模态1[t0～t1]：开关管S2、S4、S5导通，电压源ui向浮动电容Cb和储能电感Lf中存储能量，负载由电容Co供电，如图6a所示。储能电感电流iLf线性增加，其上升量Δi1为

（2）开关模态2[t1～t2]：开关管S1导通，S2分断，电压源ui继续向储能电感Lf中存储能量，浮动电容Cb两端电压保持不变，负载仍由电容Co供电，如图6b所示。iLf继续线性增加，其上升量Δi2为

（3）开关模态3[t2～t3]：开关管S3、S6导通，浮动电容Cb和储能电感Lf共同向负载供电，如图6c所示。iLf开始线性下降，其下降量Δi3为

（4）开关模态4[t3～t4]：开关管S2导通，S1分断，储能电感Lf开始续流，如图6d所示。iLf继续线性下降，其下降量Δi4为

t4时刻结束，该交流斩波器进入下一个开关周期，工作过程与前一个周期相同。

3.2 工作区间B（ui＞0,iLf＜0）

此区间中，开关管S1、S2′、S3′、S4、S5和S6′高频斩控，其余开关管常通，交流负载向交流电源回馈能量。工作区间C、D的工作过程分别与A、B相似，不再赘述。

图6 工作区间A中的四种开关模态Fig.6 Four switching states in operation mode A

4 输出与输入关系

稳态工作时，一个开关周期内储能电感电流的变化量应为零，即上升量与下降量应相等，因此有

将式（1）～式（4）代入式（5），得输出电压与输入电压关系为

式中，D为开关管S4（S5）和S4′（S5′）的占空比；D′为S1和S1′的占空比。

在不考虑斩波器损耗的情况下，根据输入输出功率相等，可以得到负载电流和输入电流的关系为

5 控制电路设计

为了确保输入侧开关管的电压应力为ui/2、斩波器可实现0、ui/2和ui三种电平输出，浮动电容Cb两端的电压应该控制为ui/2。由以上分析可知：通过调节开关管S1、S1′、S4和S4′的占空比，就可以实现浮动电容电压uCb的控制。因此，本文提出了输出电压和浮动电容电压联合控制策略，其控制框图如图7所示。

图7 带有浮动电容电压控制的控制电路框图Fig.7 Control diagram with control of flying capacitor voltage

图7中，浮动电容电压的误差放大信号uEA-ic与输出电压的误差放大信号uEA-uof线与作为误差修正信号uEA1，将uEA1取反得-uEA1，把uEA1、-uEA1与锯齿波uRAMP1进行比较，通过基本门电路可得到S3～S6′的控制波形；将uEA-ic取反与uEA-uof线与作为误差修正信号uEA2，将uEA2取反得-uEA2，把uEA2、-uEA2与锯齿波uRAMP2进行比较，通过基本门电路可获得S1、S1′、S2和S2′的控制波形。

如果uCb小于ui/2，则uEA-ic为正，uEA1升高，S4、S4′的占空比增大，同时uEA2降低，S1、S1′的占空比减小，通过对占空比的一增一减控制，可使uCb上升为ui/2；另一方面，如果uCb大于ui/2，则uEA-ic为负，uEA1降低，S4、S4′的占空比减小，同时uEA2升高，使S1、S1′的占空比增大。通过对占空比的一减一增控制，可使uCb下降为ui/2。

6 实验研究

级联式交流斩波器原理样机的主要参数如下：额定容量S=500V·A，输入电压Ui=220V±22V（50Hz），输出电压Uo=220V（50Hz），开关频率fs=100kHz，浮动电容Cb=4.7μF/450V，储能电感Lf=800μH，滤波电容Co=4.7μF/450V，负载功率因数cosφ=-0.75～0.75。

级联式交流斩波器的主要实验波形，如图8所示。从实验结果可以看出：输出电压波形正弦度高，质量好；浮动电容电压控制为输入电压的一半；储能电感电流展开波形与理论分析一致；获得了0、ui/2和ui三种电平波形；前级开关管的电压应力得到了降低，仅为输入电压的一半；交流斩波器实现了升降压变换。原理样机的实验结果很好地验证了级联式交流斩波器及其控制策略的可行性和正确性。

图8 主要实验波形Fig.8 Primary experimental waveforms

7 结论

本文基于基本开关单元，提出了一种新颖的级联式交流斩波器，并对其工作原理和控制策略进行了研究，可以得到如下主要结论：

（1）将三电平和两电平交流变换器进行组合，可获得级联式交流斩波器。

（2）级联式交流斩波器，具有功率变换级数少、双向功率流、前级开关管的电压应力可降低、输出电压波形质量好、可实现三电平波形和升降压变换及后级开关管的电压应力未降低等特点。

（3）所提出的输出电压和浮动电容电压联合控制策略，正确可行，可适用于其它带有浮动电容的三电平交流斩波器中。

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