桥式直接交交斩波变换器及换流策略研究

金　楠，皇甫岩光，胡石阳，韩东许

（1．郑州轻工业学院电气信息工程学院，郑州450002；2．国家电网河南虞城供电公司，虞城476300）

DOI：10.13234/j.issn.2095-2805.2016.1.109中图分类号：TN86文献标志码：A

桥式直接交交斩波变换器及换流策略研究

金楠1，皇甫岩光2，胡石阳1，韩东许1

（1．郑州轻工业学院电气信息工程学院，郑州450002；2．国家电网河南虞城供电公司，虞城476300）

为解决交流斩波功率变换器中双向全控电力电子开关结构复杂、换流过程繁琐的问题，研究了一种新颖的桥式直接交交斩波变换器，并提出了与之相适应的非互补控制换流策略。首先通过改进变换器结构和功率流向，取代了单管组合式双向全控开关的设计方案，简化了多路驱动电路间的隔离设计，使线路分布参数的影响较小，开关器件与驱动电路的一致性好，成本降低。换流策略设计了有源、续流和死区3种工作模式以及多种性质负载条件下的换流路径，消除了输出电压失控区间，且不使用电流极性检测环节。最后设计了功能样机，在多种负载条件下进行了性能测试。实验结果验证了方案的有效性。

桥式直接交交斩波；非互补控制；双向开关；换流策略

Project Supported by Science and Technology Research Project of Henan Province（142102210517）

引言

直接交交斩波功率变换器利用PWM控制双向电力电子开关调节交流电压，输出电压稳定，谐波含量低，克服传统电压调节器响应速度慢、对电网污染严重的缺点［1，2］。该变换器广泛应用于电力电子变压器、动态电压调节器［3］、电力系统稳定控制［4］、动态无功补偿［5］及其他相关领域，其拓扑及换流策略研究将推动和促进交流电压变换技术的发展，不仅有重要的科学意义，而且有明确的实用价值和广阔的应用前景，可以带来显著社会经济效益。

由于目前没有真正的单体全控双向开关器件成熟产品，交流斩波功率变换器的双向开关是由单向全控器件组合而成。单管全控型开关器件与快恢复二极管整流桥并联组成的双向开关，换流过程复杂，尤其在高频开关情况下，功率损耗大［6］。换流过程中的浪涌电流容易损坏快恢复二极管，寿命较短。由全控型开关器件反向串联组成的双向开关，需要设计隔离的驱动电路［7］。对于单相电路，反向串联结构的斩波拓扑需要设计4路相互独立的驱动电路，三相电路中的驱动电路设计将更为复杂［8-9］。由于采用多个单管进行组合，模块间连线较多，线路寄生参数也会对换流过程产生影响。因此，这种拓扑在实际应用中难以推广［10］。

针对目前存在的技术问题，研究一种桥式直接交交斩波变换器及其换流策略。通过设计改进的变换器结构，取代传统的单管组合式双向全控开关设计方案。所提出方案简化了多路驱动电路间的隔离设计，线路分布参数的影响较小，开关器件与驱动电路的一致性好，成本降低。为验证系统性能，设计了功能样机，并在不同负载条件下进行性能测试。最后，实验结果验证了所提出方案的有效性。

1　桥式直接交交斩波变换器

桥式直接交交斩波变换器如图1所示。图中，电感Li和电容Ci组成输入滤波器，吸收谐波电流；智能功率模块包含S1-S4驱动电路、保护电路和开关器件；斩波开关和续流开关由功率开关器件反并联续流二极管构成；电感L和电容C构成输出滤波器。通过设计改进的变换器结构和功率流向，能够使用智能功率模块进行功率变换，开关器件的驱动电路之间不需要电气隔离设计，简化了驱动电路设计。

图1　桥式直接交交斩波功率变换器Fig.1 Bridge type direct AC/AC chopper power converter

与单管反串联双向电力电子开关斩波功率变换器［1，3］相比较，桥式交流Buck斩波功率变换拓扑设计简化，缩短了模块间连线，减小了线路寄生参数对换流过程的影响，驱动电路与开关器件一致性好，系统成本降低。

2　换流策略与工作模式设计

实际应用中，交流斩波功率变换器主要为无功负载提供交流电能，电路中电压和电流相位并不一致。因此，无功负载条件下的器件换流控制策略也是交流斩波功率变换技术的主要难点。国内外许多文献都对此问题进行了专门研究，取得了一定成果［5-7］。针对桥式交流斩波功率变换器，本文设计了与之相适应的非互补控制换流策略，控制信号波形如图2所示。

图2　桥式直接交交斩波变换器非互补控制换流策略Fig.2 Non-complementary control commutation strategy waveforms of bridge type AC chopper converter

图2中输入电压极性为正时，S3、S4处于常通状态，S1、S2受互补的PWM信号控制；当输入电压极性为负时，S1、S2处于常通状态，S3、S4受互补的PWM信号控制。

（1）感性负载换流过程分析

感性负载条件下，将电源周期划分为4个区间：a、b、c、d。区间a中，uo＞0，io＜0，由于S1与S2受互补PWM信号控制，S3、S4处于常通状态。当Sg1为高电平控制信号，Sg2为低电平控制信号，负载电流通过S3、D1向电源反馈无功能量，变换器工作在有源模式。区间a工作模式如图3所示。

当Sg1为低平控制信号，Sg2为高电平控制信号，负载电流通过S2、D4续流，变换器工作在续流模式如图3（b）所示。为防止S1、S2共同导通，对互补PWM控制信号中加入死区时间。死区时间内S1、S2都处于关断状态，负载电流通过S3、D1向电源反馈无功能量，电流路径如图3（a）所示。死区时间内，由于电流连续，器件的关断过电压较小。区间a中，死区模式与有源模式电流路径相同。

图3　区间a工作模式Fig.3 Work modes in district a

区间b工作模式如图4所示。区间b中，uo＞0，io＞0，S1与S2受互补PWM信号控制，由于S1与S2受互补PWM信号控制，S3、S4处于常通状态。当Sg1为高电平信号，Sg2为低电平信号，电源通过S1、D3向负载提供电能，变换器工作在有源模式如图4（a）。当Sg1为低电平信号，Sg2为高电平信号，负载电流通过S4、D2续流，变换器工作在续流模式如图4（b）。为防止S1、S2共同导通，对互补PWM控制信号中加入死区时间。死区时间内S1、S2都处于关断状态，负载电流通过S4、D2续流，变换器工作在死区模式如图4（b）。区间b中，死区模式与续流模式电流路径相同。

图4　区间b工作模式Fig.4 Work modes in district b

区间c中，uo＜0，io＞0，区间d中，uo＜0，io＜0。S3与S4受互补PWM信号控制，S1、S2处于常通状态，换流过程可参考区间a、b。

（2）容性负载与感性负载的换流过程类似。所提非互补控制策略同样适用于阻性负载和容性负载。

3　闭环控制

为控制输出电压稳定，设计瞬时电压前馈-反馈控制方案，控制系统结构如图5所示。

图5　控制系统结构Fig.5 Structure of control system

输入电压ui经过前馈比例控制环节后，得到占空比前馈控制信号Df，即

式中，ur为参考输出电压。给定参考输出电压ur与实际输出电压反馈信号u0比较后得到输出电压偏差量Δu，经过PI控制器后得到占空比反馈控制信号ΔD为

式中：kp、ki分别为比例、积分系数；m（t）为输出电压误差量Δu的积分，通过对Δu的积分控制能够减小输出电压的稳态误差。占空比前馈控制信号和反馈控制信号之和经过限幅后，得到PWM控制器占空比输出信号D，即

4　样机实验

为验证变换器性能，设计了实验平台，如图6所示。样机实验系统参数见表1。

图6　实验平台Fig.6 Experimental platform

表1　样机实验系统参数Tab.1 Parameters of experimental prototype

对纯阻性，阻感性，阻容性、非线性负载分别进行测试。实验波形和负载波形分别如图7、图8所示。

4.1阻性负载

当占空比D=0.5时，对阻性负载40 Ω进行测试，实验波形如图7所示。非互补控制换流策略的开关管门极驱动信号的实验波形见图（a），其中Sg1、Sg2、Sg3、Sg4分别为S1、S2、S3、S4的门极控制信号；功率变换器输出电压uo波形见图（b）；电源电压经过斩波变换后，输出正弦包络的斩波电压ucp波形见图（c）和图（d）。输入电压被斩波为μs级电压片段，经输出滤波后，输出正弦电压，输出电压总谐波畸变值为1.26%。实验结果表明，使用所设计的非互补换流控制策略，开关管两端电压尖峰较小，能够实现安全可靠换流。

图7　D=0.5时实验波形Fig.7 Experimental waveforms when D is 0.5

4.2阻容性负载

当占空比D=0.3时，在阻容性负载40 Ω、10 μF条件下进行测试，变换器输出电压、电流波形如图8（a）所示。由图可见，输出电压总谐波畸变值为1.18%，输出电流相位超前于输出电压82.8°。

图8　负载波形Fig.8 Load waveforms

4.3阻感性负载

当占空比D=0.3时，在阻感性负载10 Ω、20 mH条件下进行测试，变换器输出电压、电流波形见图8（b）。由图可见，输出电压总谐波畸变值为1.30%，输出电流相位滞后于输出电压32.1°。

4.4非线性负载

占空比D=0.6时，非线性负载为二极管桥式整流阻容滤波电路：电阻40 Ω，电容30 μF。实验波形见图8（c）。由图可见，输出电压总谐波畸变值为1.39%。

根据以上实验结果，不同性质负载条件下，输出电压均为正弦波形，开关器件实现安全、可靠换流。实验结果验证了所提出方案的有效性。

4.5闭环控制

稳态输入电压有效值为110 V（实验条件限制在低压下完成实验），参考输出电压有效值设定为50 V。当输入电压ui发生波动时，输出电压波形如图8（d）中所示。样机实验结果表明，所设计控制方案通过改变控制信号占空比，能有效抑制输入电压波动，动态响应速度快。

4.6功率变换效率分析

变换效率是功率变换器的重要性能指标之一。阻性负载条件下，功率变换效率如表2所示。

表2　桥式直接交交斩波功率变换器效率分析Tab.2 Efficiency analysis of bridge type direct AC/AC chopper converter

实验结果表明，占空比较大时，交流斩波功率变换效率较高。主要原因是在占空比较小的情况下，斩波开关的输入侧和输出侧之间电压差较高，开关损耗大，效率降低。同时，电流通过续流开关的时间较长，也会增加功率损耗。综合以上两点，应尽可能工作在大占空比情况下，从而得到高功率变换效率。

5　结语

为解决交流斩波功率变换器中双向全控电力电子开关设计复杂、换流过程繁琐、可靠性低的问题，研究了一种桥式直接交交斩波变换器及其换流策略。该方案中多路驱动电路之间不需要隔离，能够使用智能功率模块实现交流斩波控制功能，提高了系统可靠性，成本降低。

在理论研究基础上，设计功能样机并进行实验研究。实验结果验证了在多种性质负载条件下，变换器及非互补换流策略工作稳定、可靠。桥式直接交交斩波变换器具有广阔的发展前景，对该技术的深入研究具有重要理论意义和应用价值。

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Research on Bridge Type Direct AC/AC Chopper Converter and Its Commutation Strategy

JIN Nan1，HUANGFU Yanguang2，HU Shiyang1，HAN Dongxu1
（1.School of Electrical and Information Engineering，Zhengzhou University of Light Industry，Zhengzhou 450002，China；2.Henan Yucheng Distribution Company of State Grid，Yucheng 476300，China）

In order to simplify the design of bidirectional power switches，a new design of direct AC/AC chopper power converter is proposed which adopts intelligent power module to do power conversion. Through the improvement of the circuit design，electrical isolation unit is not necessary in driver circuits of the chopper switches. A novel non-complementary control commutation strategy is designed. The proposed commutation strategy adopts power source voltage polarity control method and do not need current polarity detection unit which must be used in the traditional commutation strategy. The commutation process and the output voltage contror method are disscussed. In experiment，different load are used to test the validity of the proposed plan. The power converter efficiency with different duty ratio is also analyzed. Compared with traditional AC chopper design，the proposed converter has simplified driver circuits design，high system reliability，low cost and provide favorable conditions for wide application.

bridge type direct AC/AC chopper；non-complementary control；bidirectional power switch；commutation strategy

金楠

2015-07-08

河南省科技攻关项目（142102210517）

金楠（1982-），男，通信作者，博士，副教授，研究方向：直接交交斩波功率变换器，分布式发电系统，E-mail∶jinnan@zzuli. edu.cn。

皇甫岩光（1980-），男，硕士，工程师，研究方向：分布式发电系统，E-mail∶hpyg@ 163.com。

胡石阳（1989-），男，硕士研究生，研究方向：动态电压恢复，新能源发电电能转换，E-mail∶864462105@qq.com。

韩东许（1990-），男，硕士研究生，研究方向：分布式发电系统，E-mail∶4352895 22@qq.com。