基于桥臂内移相控制的三电平移相全桥变换器共模电压抑制策略

贺天元，范学鑫

基于桥臂内移相控制的三电平移相全桥变换器共模电压抑制策略

贺天元1，范学鑫2

（1.海装驻湘潭地区军事代表室，湖南湘潭 411100；2. 海军工程大学舰船综合电力技术国防科技重点试验室，武汉 430033）

针对三电平移相全桥变换器变压器原边共模电压难以抑制问题，提出了一种桥臂内移相控制的抑制策略。结合三电平移相全桥变换器拓扑结构，首先分析传统移相策略的工作原理，分析共模电压的产生原因，其次分析所提出的桥臂内移相策略的工作原理，最后通过仿真验证所提抑制策略的有效性。采用所提桥臂内移相策略可以有效消除变压器原边共模电压。

三电平移相全桥变换器；共模电压；桥臂内移相策略

0 引言

舰船综合电力系统（IPS）将发电、日常用电、武器设备用电和推进供电等综合为一体。相比于传统舰船采用的机械式推进系统，其推进系统和电力系统相互独立，在振动共模抑制和能量管理方面具有无可比拟的优势[1～2]。直流区域配电系统是连接4000 V中压直流电网与日常负载的关键环节，它主要包括DC/DC变流器、DC/AC逆变器、DC/AC变频器等。其中DC/DC变流器作为直流区域配电系统的一级能源设备，它的主要功能是从4000 V电网获取能源，变为低电压等级直流电供逆变及其他负载使用。

三电平移相全桥变换器(TL-PSFB)由于其具有输入电压等级高、输出纹波电流小、输入输出电气隔离等优势广泛应用于舰船综合电力系统[3～5]。但是变换器在工作过程中会产生严重的共模电压，目前通常采用EMI滤波器抑制共模电压，以满足EMI标准要求。

电力电子装置开关状态切换过程中通常会产生共模电压。三电平移相全桥变换器中频变压器绕组间电容为共模电容与地之间提供了流通路径。如果不采取适当的约束方法，共模电压会干扰到其他设备。

目前一些学者提出了各种方法来解决隔离DC/DC变换器的共模电压问题。主要包括对称电路，无源消除，绕组消除和屏蔽等方法。对称电路方法就是将元件成对设计并对称布局以消除共模电流[7]。在无源消除方法中，通过增加补偿绕组和电容组成附加补偿分支进而形成相对于共模电流的反相电流，以消除共模电压[8]。绕组消除方法通过适当地设计变压器结构和布置变压器绕组来消除流过绕组间电容的共模电流。该方法已应用于反激式变换器，单/双开关正激变换器[9]屏蔽方法通过在变压器初级和次级绕组之间插入屏蔽层来降低流过绕组间电容的共模电流[10]。

此外还有使用上述方法的组合以实现更好的性能。在移相全桥DC/DC变换器中，两个相位中点的电位在不同时间改变，因此两个桥臂产生的共模电压不能相互抵消。单独的对称电路方法不能完全解决共模电压问题。在[11]中使用对称电路和被动消除方法的组合来解决该问题。除了包括对称谐振电感和对称变压器的对称电路，用于消除由移相DC/DC变换器中的谐振电感两端的电压引起的共模电压，还使用由附加变压器和电容器组成的无源消除电路来取消由相电压中点和地之间的电压变化引起的共模电压。采用对称电路和被动消除的组合方法，可以更好地解决共模电压问题。然而，无源消除方法需要额外的电路，这增加了变换器的成本和复杂性。而且，附加电路的参数如补偿电容很难确定，其被很多杂散参数影响。此外，额外附加电路也会增加变换器的功率损耗。文献[12]提供了一种很好的解决思路，通过改进调制策略抑制共模电压的产生。

针对上述研究现状，本文从电路拓扑入手，分析了传统移相调制策略的原理及局限性，提出了一种桥臂内移相的控制策略，分析了桥臂内移相的控制策略的原理。最后通过仿真验证所提控制策略的有效性。

1 拓扑结构分析

TL-PSFB的拓扑结构如图1所示，主要包含支撑电容、三电平全桥、中频隔离变压器、不控整流桥、输出滤波电感、输出滤波电容等部分。三电平全桥将直流逆变为交流，经过中频隔离变压器降压后输出至不控整流桥，经整流滤波后输出给后级负载供电。

图1 拓扑结构

图1中CpA和CpB是从初级侧桥臂中点到地面的寄生电容。Cs是次级侧对地的寄生电容。Cps是中频变压器的绕组间电容。

2 传统移相脉宽调制分析

在传统移相脉宽调制中，变换器通过左右桥臂移相控制。S1和S2采用相同的脉冲控制。S3和S4采用相同的脉冲控制。右桥臂与左桥臂类似。图2为传统移相调制策略示意图。当桥臂中点电压AO或BO改变时，相应的寄生电容CpA或CpB充电或放电以及绕组间电容Cps，从而引起共模电流噪声。

理论上，共模电压CM是导致共模电流的噪声源。共模电压CM可表示为，

如图2所示，共模电压CM随着AO和BO的变化而变化。传统的相移调制，桥臂中点电压AO和BO在不同时间改变，引起共模电压的变化并通过寄生电容产生共模电流。

3 桥臂内移相策略

为了降低共模电压，本文提出TL-PSFB桥臂内移相调制策略。如图3所示，左桥臂S1和S2之间移相控制，S3和S4之间移相控制，右桥臂与之类似。左右桥臂输出电压AO和BO存在三个电平，如图3所示。AO和BO同时改变但方向相反。根据式（1），共模电压CM为零。

图2 传统移相脉宽调制策略示意图

图3 桥臂内移相调制策略示意图

尽管驱动脉冲波形与传统的移相调制不同，但交流电压AB的产生波形仍然与传统的移相调制相同，因此中频变压器和二次侧整流桥不受新调制策略的影响。传统调制中一个桥臂是超前桥臂而另一个桥臂是滞后桥臂，在所提出的调制中没有超前和滞后桥臂之分。

图4 变换器开关状态示意图

在图2和图3中示移相角在两种调制方案中也是不同的。传统移相脉宽调制中超前桥臂和滞后桥臂之间移相。在所提出的调制中，移相分别发生在两个桥臂的外部开关和内部开关之间。

图4为采用桥臂内移相调制策略，变换器前半个周期的开关状态。

阶段1（0～1）：开关管S1，S2，S7和S8导通。变压器原边电压AB=dc，如图4a所示。

阶段2（1～2）：开关管S1和S8关断。电流通过Dc1和Dc4续流。变压器原边电压AB=0，如图4b所示。

阶段3（2～3）：S2和S7关闭。S3和S6开启。S3，S4，S5和S6导通。变压器原边电压AB=-dc，如图4c所示。

阶段4（3～4）：无开关动作。变压器原边电流过零。变压器原边电压AB=-dc，如图4d所示。

4 仿真分析

验证桥臂内移相调制策略的有效性在matlab中建立仿真模型。图5为输入母线电压4000 V，采用传统桥臂间调制策略，移相角为72°时仿真波形。图6为采用桥臂内调制策略变压器原边电压及共模电压仿真波形。从图中对比可以看出采用所提出的桥臂内调制策略共模电压为0，而传统调制策略共模电压在正负母线电压跳变。

图5 传统移相脉宽调制策略变压器原边电压和共模电压仿真波形

图6 桥臂内移相调制策略变压器原边电压和共模电压仿真波形

5 结论

本文针对三电平移相全桥变换器共模电压抑制问题，结合三电平移相全桥变换器拓扑结构，分析了传统移相脉宽调制策略不能够有效抑制共模电压，提出了桥臂内移相调制策略并分析了变换器开关状态，最后通过仿真验证了所提桥臂内移相调制策略的有效性。

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Common-mode Voltage Suppression Strategy for Three-level Phase-shifted Full-Bridge Converter Based on In-arm Phase-shifting Control

He Tianyuan, Fan Xuexin

（1.Military Representative Office in Xiangtan Region, Naval General Armament Department, Xiangtan 411100, Hunan, China; 2.National Key Laboratory of Science and Technology on Vessel Integrated Power System, Naval Univ. of Engineering, Wuhan 430033, China）

TM771

A

1003-4862（2021）07-0023-04

2021-03-17

贺天元（1984-），男，工程师，研究方向：电力电子与电力传动。E-mail：fxxaim0224@163.com