三相双Buck斩波器的研究

郑帅，唐群

（国网湖南省电力公司永州供电分公司，湖南永州425002）



三相双Buck斩波器的研究

郑帅，唐群

（国网湖南省电力公司永州供电分公司，湖南永州425002）

摘要：三相交流斩波器广泛应用于调压场合，传统的三相交流斩波拓扑功率管直接相连，存在直通问题，需要在PWM控制信号中加入死区，会导致波形畸变和输出电感过电压等问题。三相双Buck拓扑克服了直通问题，具有自然换流特性，无需设置死区，解决了波形畸变和输出电感过电压等问题。分析三相双Buck斩波器的工作模态，通过仿真实验验证了理论分析的正确性。

关键词：双Buck；斩波；死区

1　引言

交流直接斩波电路必须遵循严格的换流时序，控制方式比较复杂，开关器件换流时存在较大电压尖峰。为解决传统交流斩波器死区续流产生过电压等问题，本文根据以往的研究成果对双Buck变换器拓扑进行了研究，将其串联在电网与负荷之间，系统输出电压就可以稳定运行，解决了斩波器死区续流过电压问题，可以为负荷提供优质的电能。以此将单相双Buck拓扑结构构建三相双Buck斩波系统，以适用于更为普遍的三相调压领域。

2　三相双Buck斩波电路

双Buck交流斩波电路具有Buck直流斩波自然换流的特性，避免了由于设置死区导致波形畸变和输出电感过电压等问题，在单相双Buck交流斩波电路的基础上，构建三相交流双Buck斩波电路。三相交流双Buck斩波拓扑结构如图1所示，每一相的双Buck交流斩波的拓扑结构，实际上是在传统Buck斩波器的基础上，将IGBT器件和二极管的同向串联组合（二极管的阴极接IGBT的漏极或者二极管的阳极接IGBT的源极），阻断了IGBT器件在开通时的电流反向流动，这样就使IGBT器件和串联二极管组成了一个具有单向性组合器件。从而在拓扑上避免了传统Buck斩波器的死区设计。同时，为了解决电源负电压不能工作的问题，这个拓扑结构增加了一个续流电感［1］。

图1　三相交流双Buck斩波电路

3　基本原理

图1所示为三相双Buck斩波电路，每一相由两个斩波管组成斩波组，由两个相应续流管组成续流通道，斩波组的开通与关断，是由该相相电压的正负决定［2］。各相之间的斩波管和续流管开通与关断相互独立。假设D为占空比、ω为角频率，三相输入电源是理想电源，即：

所以，可以迁移单相交流双Buck斩波的基本原理到三相双Buck交流斩波系统中，有：

4　半周期控制工作方式［3］［4］［5］

三相双Buck斩波电路工作状态，其实质是每一相的两个Buck电路交替工作在各相电源正负半周状态。举例阐述半周期控制的方式，以负载为纯阻性负载、以A相为例，三相双Buck交流斩波电路工作情况是在输入电源电压为正半周时，由斩波管VT1和VT2、二极管D1和D2、L1组成Buck电路1工作在PWM斩波状态；在输入电源电压负半周时，由斩波管VT3和VT4、二极管D3和D4、L2组成Buck电路2工作在PWM斩波状态。整个电路是由Buck电路1和Buck电路2交替工作在输入工频电压的半个周期。具体分析如图2所示。

图2　三相双Buck斩波电路工作模态

模态一（uia＞0，uib＜0，uic＞0）

AC相电源供能：斩波管VT1、VT2、VT7、VT8、VT9、VT10开通，VT3、VT4、VT5、VT6、VT11、VT12关断。三相输入电源A相电流通过D1、VT1给续流电感L1和电容C1充电，并给负载A提供能量，然后给电容C2充电，给负载B提供能量、经过续流电感L4、D7、VT7回到电源B相。同理，三相电源C相电流通过D9、VT9给续流电感L5和电容C3充电，并给负载C提供能量，然后给电容C2充电，给负载B提供能量、经过续流电感L4、D7、VT7回到电源B相。

模态二（uia＞0，uib＜0，uic＞0）

AC相储能器件馈能：斩波管VT2、VT8、VT10开通，VT1、VT3、VT4、VT5、VT6、VT7、VT9、VT11、VT12关断。三相输入电源通路切断。续流电感L1上的电流方向保持不变继续给负载A提供能量，流经负载A、负载B、续流电感L4、VT8、VT2，完成A相整个回路。同理，续流电感L5上的电流方向保持不变继续给负载C提供能量，流经负载C、负载B、续流电感L4、VT8、VT10，完成C相整个回路。

模态三（uia＞0，uib＜0，uic＜0）

A相电源供能：斩波管VT1、VT2、VT7、VT8、VT11、VT12开通，VT3、VT4、VT5、VT6、VT9、VT10关断。同理，A相电源电流通过其斩波通路流通B、C两相的斩波通路，其间分别给三相负载供能。

模态四（uia＞0，uib＜0，uic＜0）

A相储能器件馈能：斩波管VT1、VT2、VT7、VT8、VT11、VT12开通，VT3、VT4、VT5、VT6、VT9、VT10关断。同理，A相电感电流通过其斩波通路流通B、C两相的斩波通路，其间分别给三相负载供能。

模态五（uia＞0，uib＞0，uic＜0）

A、B相电源供能：斩波管VT1、VT2、VT5、VT6、VT11、VT12开通，VT3、VT4、VT7、VT8、VT11、VT12关断。同理，A、B相电源电流通过其斩波通路流通C相的斩波通路，其间分别给三相负载供能。

模态六（uia＞0，uib＞0，uic＜0）

A、B相储能器件馈能：斩波管VT1、VT2、VT5、VT6、VT11、VT12开通，VT3、VT4、VT7、VT8、VT11、VT12关断。同理，A、B相电感电流通过其斩波通路流通C相的斩波通路，其间分别给三相负载供能。

模态七（uia＜0，uib＞0，uic＜0）

B相电源供能：斩波管VT3、VT4、VT5、VT6、VT11、VT12开通，VT1、VT2、VT7、VT8、VT9、VT10关断。同理，B相电源电流通过其斩波通路流通A、C两相的斩波通路，其间分别给三相负载供能。

模态八（uia＜0，uib＞0，uic＜0）

B相储能器件馈能：斩波管VT3、VT4、VT5、VT6、VT11、VT12开通，VT1、VT2、VT7、VT8、VT9、VT10关断。同理，B相电感电流通过其斩波通路流通A、C两相的斩波通路，其间分别给三相负载供能。

模态九（uia＜0，uib＞0，uic＞0）

BC相电源供能：斩波管VT3、VT4、VT5、VT6、VT9、VT10开通，VT1、VT2、VT7、VT8、VT11、VT12关断。同理，B、C相电源电流通过其斩波通路流通A相的斩波通路，其间分别给三相负载供能。

模态十（uia＜0，uib＞0，uic＞0）

B、C相储能器件馈能：斩波管VT3、VT4、VT5、VT6、VT9、VT10开通，VT1、VT2、VT7、VT8、VT11、VT12关断。同理，B、C相电感电流通过其斩波通路流通A相的斩波通路，其间分别给三相负载供能。

模态十一（uia＜0，uib＜0，uic＞0）

C相电源供能：斩波管VT3、VT4、VT7、VT8、VT9、VT10开通，VT1、VT2、VT5、VT6、VT11、VT12关断。同理，C相电源电流通过其斩波通路流通A、C两相的斩波通路，其间分别给三相负载供能。

模态十二（uia＜0，uib＜0，uic＞0）

C相储能器件馈能：斩波管VT3、VT4、VT7、VT8、VT9、VT10开通，VT1、VT2、VT5、VT6、VT11、VT12关断。同理，C相电感电流通过其斩波通路流通A、C两相的斩波通路，其间分别给三相负载供能。

5　仿真试验

为了验证由单相双Buck交流斩波电路构建三相双Buck交流斩波电路的拓扑结构和控制方案的可行性，在Matlab仿真环境下搭建仿真模型，在本系统选择载波频率50kHz，载波幅值为1，占空比为0．8，输出的滤波电容为4．7uF，滤波电感为0．4mH，负载为10Ω，输入线电压有效值为380V，频率为50Hz。仿真模型如图3所示，仿真结果如图4所示。

从图4可以看出，三相电源经过斩波滤波后输出的电压电流波形正常，电流含有丰富的谐波含量，充分验证了所搭建的三相双Buck交流斩波电路拓扑结构及控制方法是正确可行的。

6　结论

本文主要对三相双Buck交流斩波电路进行了研究，详细介绍了由单相双Buck交流斩波电路构建的三相系统，一一分析其工作模态，得出结论：相与相之间斩波和续流之间的控制并不存在耦合关系，所以可以分别单独控制三相的相应开关管。最后在Matlab仿真环境下搭建仿真模型，进行仿真验证，验证表明该方案是正确的，控制策略可行，并实现了调节输出电压的功能。

图3　三相双Buck斩波电路仿真模型

图4　三相双Buck斩波电路仿真波形

参考文献：

［1］洪峰，孙刚，蔡兆奇，王慧贞，严仰光．双Buck双向交流斩波器［J］．中国电机工程学报，2008：28 （18）：18-22．

［2］林渭勋．现代电力电子技术［M］．北京：机械工业出版社，2006．

［3］王阿敏，张友军，翁振明，项家希，吴偏偏．三相Buck型脉宽调制AC／AC交流斩波器及其控制策略［J］．电源世界，2011（05）：29-35．

［4］徐德鸿．电力电子系统建模及控制［M］．北京：机械工业出版社，2006．

［5］张兴．高等电力电子技术［M］．北京：机械工业出版社，2011．

Research on three-phase dual Buck chopper

ZHENG Shuai，TANG Qun

（State Grid Yongzhou Power Supply Company，Yongzhou 425002，China）

Key words：dual Buck；chopper；dead zone

Abstract：The three-phase AC chopper is widely used in the voltage regulating occasions．Since the conventional three-phase AC chopper topology power tube is directly connected，it exist the problem of the straight through and needs to add the dead zone in the PWM control signals and can lead to a waveform distortion and overvoltage of the output inductor．The three-phase dual buck topology overcomes the problem of straight through，and has natural commutation properties without dead time，also can solve the voltage waveform distortion and overvoltage problem．The working mode of the three-phase double Buck chopper is analyzed．The simulation results verify the correctness of the theoretical analysis．

中图分类号：TN710

文献标识码：A

文章编号：1005—7277（2016）02—0006—04

作者简介：

郑帅（1987-），男，硕士，就职于国网湖南省电力公司永州供电分公司，研究方向为电力电子技术及其在电力系统中的应用。

收稿日期：2016-02-23