基于开关电容的三相双向AC-AC变换器设计*

廖建文,张 娅,梅容芳,彭永杰

(宜宾职业技术学院电子信息与控制工程系,四川 宜宾 644003)

基于开关电容的三相双向AC-AC变换器设计*

廖建文*,张 娅,梅容芳,彭永杰

(宜宾职业技术学院电子信息与控制工程系,四川 宜宾 644003)

在工业电压变换领域,AC-AC变换器需具有高功率密度、高效率和低成本的特性。为此,提出了一种基于开关电容的双向功率流三相AC-AC变换器,该变换器为双向变换器,能够降低或者增大输出电压。首先对该AC-AC变换器的开口三角形拓扑结构进行了分析,通过功率级只使用了电容和开关,来提高效率并增加功率密度,然后给出了其三相等效电路。该变换器在开环回路中运行时,增益、占空比以及频率均为固定值。最后建构了3.5 kW样机,并对其进行测试,实验结果显示在额定负载条件下提出变换器的效率约为93.7%,功率密度为1.23 kW/kg,且所需元件数量较少,成本更低。

交流-交流变换器;等效电路;开关电容;低成本;功率密度

众所周知,住宅区和工业领域一直使用传统变压器/自耦变压器来增加或者降低电压等级。近年来,相关文献对基于开关电容原理的交流-交流变换器进行了研究,认为基于开关电容的变换器能够替代传统变压器/自耦变压器。首次提出的开关电容(SC)设计是针对DC-DC变换器[1-2];后来,该原理用于AC-DC变换器、DC-AC变换器、谐振变换器、多电平变换器等其他变换器[3]。目前,此类变换器也用于AC-AC单相变换器以及三相功率变换器[4]。在效率、功率密度、重量以及体积方面,相较于传统自耦变压器,上述AC-AC变换器的性能更好,其主要原因在于电源电路中无电感元件。

相关科研人员进行了许多研究,旨在改善设计、静态和动态模型以及SC功率变换器控制策略。大量研究研究结果表明,SC变换器的效率会受到SC运行模式的影响[5-6],运行模式是由开关频率、开关电阻以及电容界定。SC变换器的稳态运行可用简易的等效电路表示,可忽略开关[7]。大多数文献采用建模方法提供瞬时和平均动态模型,以便分析电流和电压纹波以及损耗[8-10]。

本文提出了一种基于开关电容的双向功率流三相AC-AC变换器拓扑结构。相较于文献[7]提出的变换器,使用的元件较少,分析了变换器结构中的等效电路以及各种电阻负载的相量(三角形连接或者星形连接),提出的变换器在开环回路中运行时,占空比以及开关频率均为固定值。通过分析不同电阻、电感以及非线性负载的实验结果,以及不同开关频率条件下的效率曲线,验证了提出变换器的性能以及功率因数曲线。

1 提出的三相AC-AC变换器设计

提出的SC三相AC-AC变换器结构原理,如图1所示。2个SC单相元件连接呈开口三角形,如图2所示(开口三角形结构与自耦变压器相似)。文献[7]中的三相AC-AC变换器由3个SC单相光电元件组成,相比较而言,本文提出的变换器所用元件数量减少了1/3。图1所示的拓扑结构由4个双向开关(BS)以及3个电容(其中1个电容器充当SC)组成。

图1 提出的三相AC-AC变换器

图2 单相元件组成的开口三角形结构

本文提出的变换器是双向变换器,可以实现增压或者降压。输出电压波形与输入电压波形相同,增益使电压成倍增加,但是频率保持不变。该变换器在开环回路中运行时,开关频率以及占空比均为固定值,接近0.5,门驱动器信号如图3所示。

在第1个阶段中,开启所有奇数开关,然后C1和C4作为SC,与电容器C2和C5连接。在第2个阶段中,开启所有偶数开关,然后C1和C4作为SC,与电容器C3和C6连接。因此,C1使电容C2和C3的电压变得均衡,C4使电容C5和C6的电压变得均衡。对于降压操作而言,如图1所示,输入电压在1、4、6三个点上连接(VAB=V14、VBC=V46和VCA=V61),同时,在2、3(或4)、5三个点上获得输出电压(Vrs=V23、Vst=V35和Vtr=V52)。对于升压操作而言,电源在2、3(或4)、5三个点上连接,负载在1、4、6三个点上连接。

图3 门驱动器信号

图5 平衡三相等效电路

降压操作时,此结构的理论电压增益为:

(1)

此拓扑结构的优势之一:降压操作时,所有电容器以及开关的最大电压为:

(2)

在升压操作中,元件的最大电压是负载电压的一半。

本文提出了开口三角形变换器的单相等效电路。首先,获得了三相不平衡等效电路,如图4所示。然后,根据图4产生了三角形三相平衡等效电路,如图5所示。

图4 不平衡三相等效电路

接着进行Δ-Y转换;最后根据图5获得了单相等效电路,如图6所示。创建了通用表示形式,如图7所示。图7所示的等效电路由模仿传导损耗的串联电阻(RS)、模仿开关损耗的并联电阻(RP)以及模仿无功功率流的并联电容(CP)组成[11]。

图6 单相等效电路

图7 单相等效电路的通用表示形式

等效电路的参数表示如下:

VX=Vin/2

(3)

Ceq=3C

(4)

Rsl=1/(4Cossf)

(5)

上述研究结果表明了微波选择性加热的事实，对于锡石多金属硫化矿而言，由于矿石矿物存在选择性加热，因此，采用微波加热处理后可能导致矿石内部出现应力集中现象，从而强化磨矿效果。

(6)

(7)

(8)

Cp=2Ceq

(9)

式中:C表示电源电路的电容(C=C1=C2=C3=C4=C5=C6),Ron表示开关的传导电阻,fs表示开关频率,Coss表示开关的固有电容,D表示占空比。

等效电路元件值取决于输入源以及负载的连接方式。对图7所示的等效电路进行分析之后,可获得有关效率以及功率因数的方程式,如下所示:

(10)

(11)

利用上述方程式设计变换器,同时对其性能进行预估。效率与串并联电阻(Rp和Rs)有关,串并联电阻与元件以及SC变换器的运行模式有关。本变换器具有电容性(自耦变压器具有电感性),输入侧的功率因数与2个元件有关:(1)(与Ceq相关的)结构;(2)变换器的负载类型(与自耦变压器相同)。

对开口三角形连接变换器电压进行了详细分析,结果如表1所示。表1是各类负载的相量分析以及有关输入电压的输出电压方程式。

表1 开口三角形连接中各类负载的相量图分析

2 实验结果

本设计建构了220 V/110 V/3.5 kW的样机,用于验证本文提出变换器的性能。图8是样机的照片,表2是设计样机技术参数。

图8 提出三相AC-AC变换器样机

表2 样机的主要技术参数以及元件

2.1 降压/升压时的输出电压

图9 线间输入电压(VAB)和三相线间输出电压(Vrs、Vst和Vtr)波形

图10 电容器C1、C2和C3的电压应力波形

图11 开关S1的电压应力波形

2.2 不同负载条件下的输出电压和电流

图12是3.5 kW电阻负载条件下输入电流IA以及线间输入电压VAB的波形。对结果进行分析之后可知,1.1ms(约为23°)时线电压领先于线电流,此结果正是电容电路所需。在此次测试中,添加0.2mH的L滤波器过滤高频,波形为正弦。

图12 电阻负载条件下线间输入电压(VAB)以及输入电流(IA)波形

图13 电感负载下线间输入电压(VAB)、线间输出电压(Vrs)、线到中心点间电压(Vrn)以及线到中心点间电流(Ir)的波形

图14 非线性负载条件下线间输入电压(VAB)、线间输入电压(Vrs)、输入电流以及输出电流(IA和Ir)波形

图14是非线性负载条件下(900VA以及峰值因数2.43)的实验结果:输入电压(VAB)、输出电压(Vrs)、输入电流(IA)以及输出电流(Ir)的实验波形。需注意,在相移方面,输入电压以及输出电压保持不变。

2.3 效率和功率因数

图15是不同电阻负载条件下的功率因数曲线。正如预期那样若有功功率流较低,以结构本身固有的无功功率为准,功率因数较低。功率因数会随着有功功率的增加而增加,接近单一数值。在额定负载条件下,理论分析表明功率因数为0.987,但是图15的实验结果表明功率因数为0.998。产生差异的原因在于,本文提出的等效电路并未考虑到功率级的寄生电感,寄生电感会影响结构的功率因数。

图15 不同负载条件下结构的功率因数曲线

图16是提出变换器的实验效率曲线。在接近半负载(处理1.5kW)情况下获得了最大实验效率(94.5%)。在额定负载条件下,效率约为93%。在不同开关频率条件下进行了测试,其结果表明:若负载较轻时,开关频率降低,效率增加;若负载较重时,需较高开关频率提升效率。

图16 在不同负载条件下,效率随着不同开关频率变化的曲线

2.4 成本比较

对本文提出的拓扑结构以及文献[7]中的三相AC-AC变换器进行比较后可发现,相较于文献[7]中三相拓扑结构的开关(24)、电容器(9)以及驱动器(12)数量,本文提出的拓扑结构只需要开关(16)、电容器(6)以及驱动器(8),元件总数量较少。需要注意,文献[7]中变换器的功率密度1.35kW/kg,比本文提出变换器的1.23kW/kg稍大。

3 结论

本文提出了基于开关电容的双向功率流三相AC-AC变换器,具有无需磁性元件、效率高、双向功率流等特点。最重要的是,相较于现有的三角形或者星形连接三相AC-AC变换器,其元件数量较少。实验结果显示在额定负载条件下提出变换器的效率约为93.7%,功率密度为1.23kW/kg,可以替代传统三相自耦变压器。

[1] Wu Gang,Ruan Xinbo,Ye Zhihong. Nonisolated High Step-Up DC-DC Converters Adopting Switched-Capacitor Cell[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics,2015,62(1):383-393.

[2] Wei Q,Dong C,Cintron-Rivera J G,et al. A Switched-Capacitor DC-DC Converter with High Voltage Gain and Reduced Component Rating and Count[J]. IEEE Transactions on Industry Applications,2012,48(4):1397-1406.

[3] Ben-Yaakov S. On the Influence of Switch Resistances on Switched-Capacitor Converter Losses[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics,2012,59(1):638-640.

[4] 王议锋,杨良,王成山,等. 基于开关电容的三相单开关反激式高增益AC-DC整流变换器[J]. 电工技术学报,2014(S1):233-241.

[5] 王忠阁,汪伟,蔡慧. 一种降压/升压式开关电容AC-AC变换器设计[J]. 电源技术,2015,39(7):1501-1503.

[6] 张超华,汤雨,谢少军. 基于Buck-Boost的AC/AC变换器设计[J]. 电工技术学报,2007,22(8):52-56.

[7] Lazzarin T,Barbi I,Andersen R. A Switched-Capacitor Three-Phase AC-AC Converter[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics,2015,62(2):735-745.

[8] Andersen R L,Lazzarin T B,Barbi I. A 1-kW Sep-Up/Step-Down Switched-Capacitor AC-AC Converter[J]. IEEE Transactions on Power Electronics,2013,28(7):3329-3340.

[9] Ben-Yaakov S. Behavioral Average Modeling and Equivalent Circuit Simulation of Switched Capacitors Converters[J]. IEEE Transactions on Power Electronics,2012,27(2):632-636.

[10] 蔡慧,王忠阁,汪伟. 一种变比为1/4或4的开关电容AC/AC变换器[J]. 电力电子技术,2013,47(11):41-43.

[11] 罗洪平,程安宇,赵双,等. 可变频三相交流波形发生器的研制[J]. 电子器件,2013,36(5):717-721.

Design of a Three Phase Bidirectional AC-AC Converter Based on Switched Capacitor*

LIAOJianwen*,ZHANGYa,MEIRongfang,PENGYongjie

(Department of Electronic Information and Control Engineering,Yibin Vocational and Technical College,Yibin Sichuan 644003,China)

In the field of industrial voltage transformation,AC-AC converter has the characteristics of high power density,high efficiency and low cost. For this purpose,a bidirectional power flow three phase AC-AC converter based on switched capacitor is proposed,which can reduce or increase the output voltage. Firstly,the AC-AC converter open triangle topology is analyzed,the power level only uses capacitor and switch to improve the efficiency and increase the power density,and then gives the equivalent circuit of three-phase. In open loop operation,the gain,duty ratio and frequency of the converter are fixed values. Finally a 3.5 kW prototype is built and tested. The experimental results show that at rated load under the conditions of the proposed converter efficiency about 93.7%,the power density is 1.23 kW/kg,and the cost is lower as the less number of components required.

AC-AC converter;equivalent circuit;switched capacitor;low cost;power density

项目来源:四川省教育厅重点项目(15ZA0397)

2016-04-02 修改日期:2016-04-25

C:8350;1290B

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.02.042

TM464

A

1005-9490(2017)02-0476-05