AC变换器比较研究

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第 2 6卷第 2 0期 20 0 6年 1 0月

中

国

电机

工

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、 1 6 No 2 t 2 0 , . .0 0c. 0 6 o 2@2 0 i .o . rE e . n 0 6 Ch n S cf l cE g o

P o e d n s f h EE r c e i g e CS o t

文章编号：0 5.0 3(0 6 2.0 40 2 88 1 20 ) 00 7 .5

中图分类号：T 6:T 8 文献标识码：A M4 4 N 6

学科分类号：4 0 0 7 4

两种高频交流环节 A/ C变换器比较研究 CA李磊，陈道炼 2( .南京理工大学动力.程学院，江苏省南京市 20 9; 1 Y - 104 2福州大学电力电子研究所，福建省福州市 30 0 ) . 50 2

Co p rs n o m a io f TwoK i d f n s AC n e t r i g o AC/ Co v r e sW t Hi h h F e u n yAC i k rq e c LnL i, CHE Da—in I Le N o l a

(. nigU iesyo cec 1Na: nvri f ine&T cn lg;Naj g20 9,J n s rvn eC ia i n t S eh oo y ni 10 4 i guPo i, hn: n a c2 P we Eet nc eerhIs tt F zo nvr t, uh u3 0 0, ui o ic, hn ) . o r lc o is sac tue u h uU iesy F z o 5 0 2 Fj P vn e C ia r R ni, i n ar

ABS TRACT￣ v l No e AC/ AC o v r r t i h fe u n y a c n e t swi h g q e c c e h r l k a e c mp s d o i d fAC AC c n e e s i o o e ft n r wo k n so / o v r r,wh c t ihr o t emo eb s d o o wa o v r r a ev l g d a e n F r r dc n e e dc￣e t d a t a u n n mo e

压器、正弦交流稳压器和交流调压器提供了关键的技术依据。关键词：高频交流环节：A/ C变换器：电压源型；电流 CA源型：正激变换器：反激变换器

b s d o l b c o v r r h c ru t c n g r t n n d a e n F y a k c n e e .T e

ic i o f u ai a t i otp lg, c n r l tae y p i cp e h a trsis d sg o o y o t srt g, r i l c a c e t, e i n o o n r i c

0引言新颖的高频交流环节 A/ CAC变换器 u J之，具有

c￣rao ek yc r u t a a tr, d p n i l r t tp f i r i f e i i p mee s a r cp e p o o y eo h t c r n it n s o v r r ed e l n o a a ie y i v si ae wo k d n e e sa e p y a dc mp t l e tg td i c t r r v n

i sl i h s p p r n mp tn o c u i s a e o ti e . frt n ti a e,a d i o ra t c n l s n r b a n d y oCo a e t e v l g d o v r r, ec re t d mp d wi t o t e mo ec n e e s t u r n r h h a t h mo e

高频电气隔离、电路拓扑简洁、两级功率变换( F C肛 A/F C) L A门 CL A、双向功率流、变换效率高、

c n e e sh v h h a t sis s c smo e c n ie cr u t o v r r a e te c a c e it u h a r o cs i i t r r c ct p l g e,wi e a g ft e i p tv la e h g e u l y o o o is o d rr n e o n u o tg, h i h rq a i f t h u p t wa e m,h g e e i i t,l we o t o r t e o t u v f r s i h r r l b l y o r c s, lwe o a i c n e s n e c e c d mo ea p ia i t e s l p we o v r i f in y a r p l b l y t t ma l o r o i n c i oh

功率密度高、音频噪音低等优点，是实现新型电子变压器、正弦交流稳压器[6交流调压器[的关键 3] -和 7]技术基础引。

c n e s n f l s Re e c n t ec mp rs n ft n s f o v ri e d . s a h o o a io so o i r h wo k d i oc n e e s s p l st e k y tc n c lf u d t n o e t

p o v r r u p i e e h ia o n a i n n w y e t e h o e e t n c t n f r r, e u ae i u o d cp we u p is lc o i a so me s r g l td sn s i a a r r l o rs p l, e n c r g lt r . a d a e u ao s

本文首次对新颖的电压源、电流源高频交流环节 A/C变换器的电路结构与拓扑、控制策略、 CA 原理特性、关键电路参数设计准则、原理样机等进行了深入的比较研究，获得了重要研究结论。

KEY ORDS W: h g e u n y a i: AC/ ih f q e c cl r k n AC o v re; cn e r t v l g mo e; c￣e t ot e a d u n mo e f r a d o v re; f b c d; o w r c n e r l a k t yc nve t r o re

1电路结构与拓扑 基于 F r r owad变换器的电压源型变换器的电路结构 J,由输入周波变换器、高频变压器、输出周波变换器以及输入、输出滤波器构成，如图 1a所 ()示，其全桥全波式拓扑如图 1c所示；而基于 () Fyak变换器的电流源型电路结构，由输入周波 lbc J

摘要：新颖的高频交流环节 A/ C变换器，包括基于 CA F r rd变换器的电压源型和基于 Fy ak变换器的电流源 owa lbc型两种。首次对两种高频交流环节 ACA/ C变换器的电路结

构与拓扑、控制策略、原理特性、关键电路参数设计准则、 原理样机等进行了深入的比较研究，获得了重要研究结论。 相对于电压源型，电流源型变换器具有电路拓扑更简洁、输入电压范围更宽、输出波形质量更高、可靠性更高、成本更低、变换效率略低和适用于小功率变换场合等特点。两种高频交流环节 A/ C变换器的比较研究，为实现新型电子变 CA

变换器、高频储能式变压器、输出周波变换器以及输入、输出滤波器构成，如图 1b所示，其全桥式 ()拓扑如图 1d所示。 () 由图 1见，相对于电压源型，电流源型变换可器的电路拓扑更加简洁，适用于小功率变换场合。

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磊等：两种高频交流环节 ACAC变换器比较研究/

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交电 疏网

式变压器

B输出滤波器交流负载

()电压源型电路结构 a

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慷田 C式高惰皿 H蛮频 F l储 A能乐器

()电流源型电路结构 b

L蛙 ) C:

( c )电压源型全桥全波式拓扑

()电流源型全桥式拓扑 d

图 1两种变换器的电路结构与拓扑Fi . Ci c i c n g r t n n i c i t p l g e f woki d ft ec n e t r g 1 r u t o f u a i s d c r u t o o o i s n so o v r e s i o a o t h

2控制策略

馈控制策略，控制原理波形如图 2 ) (所示。变换器 b

有4种工作模式，每种工作模式相当于一个 F bc l ak y电压源高频交流环节 A/ C变换器， CA采用单极变换器。通过 P WM控制，可实现输入电网电压、 性移相控制策略【。 2单极性移相控制，]是指高频逆变负载变化时输出电压的稳定与调节。 桥右桥臂相对左桥臂的移相并且输出滤波器的前端电压为单极性 P WM波。通过调节移相角 0 ≤≤10) 8。,可实现输入电压、负载变化时输出电压的稳定与调节。 电压源型变换器的控制原理波形，如图 2a所 ()

S籀黧UU Uce S e 2, l t 嚣 ( s,

s■ 0 : 1 )

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示。采用具有输出周波变换器换流重叠、输入电网 电压极性选择、输出周波变换器在前级输出电压为零期间进行开关转换的单极性移相控制策略。电压源型变换器具有如下特点：①实现了变压器漏感能量和输出滤波电感电流的自然换流；②实现了输出 周波变换器的 Z VS开关，避免了周波变换器换流重叠期间的环流现象；③输出滤波器的前端电压为单

极性 P WM波，频谱特性优；④控制较复杂，工程实现较难。

电流源高频交流环节 ACA/ C变换器，用具有采

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1:

一

输入电网电压极性和工作模式选择的电压瞬时值反

() a电压源型

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换器 C M时，输出电压‰与储能电感电流 1 C等状态变量的稳态值为1 D一

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() 7

式(、() r为储能式变压器副边绕组电阻、功 6 7中 2 )率开关 S通态电阻和二极管 D通态电阻的等效电 3 44 n 0n

阻，原边绕组电阻、功率开关 S和 S通态电阻的等。 2效电阻为 r,且 r rⅣ1 2。理想情形(=20 1 l 2(/ )= N nr )= C M、临界 C M、D M时该类变换器的外特性分 C C C呷

别为C=

UiN2 D(~D) 1

() 8() 9 (O 1)

A

( )电流源型 b

图 2两种变换器的控制原理波形Fi . Co to rn i a v￣ r ft i d g2 n r l icp l p wa e mso wo k n s o ec n e t r f h o v r e s t

￣= I 4c一

U 4,Ⅳ2。 D G==一

与电压源型相比较，电流源型变换器的控制相对简单，工程实现较易，但周波变换器的功率器件均为硬开关，将影响变换器的效率。

U

I N o

式() 1)如= 1 (N L ) 9、(中 Ⅳ 7 8 21。 0

4原理样机电压源、电流源高频交流环节 A/C变换器的 CA设计实例，如表 l所示。设计并研制成功的 lV 2 V±l%5Hz C k A 2O O O A/1O 0 AC电压源型和 5 0 A 2 V± 1% lV5 Hz 0 V 20 5

3原理特性和关键电路参数设计准则分别以电压源型全桥全波式、电流源型全桥式拓扑为例，对两种变换器的原理特性和关键电路参数设计准则进行比较研究。电压源型变换器，采用单极性移相控制策略、C M时输出滤波电感电流 C和输出滤波电容电压 (即输出电压 U) o等状态变量的稳态值为【 2】

5 H A/2V O z C电流源型变换器原理样机， O Z C 2O 5H A均获得了优良的性能指标。性能比较如表 2所示。其 可见：于 Fy ak变换器的电流源型具有更宽的输基 1bc

』=丝 , 一一，=Ⅳl—

+r

I f,入电压范围；相对于电压

源型采用单极性移相控制 l 1 )策略，电流源型由于采用 D M模式的电压瞬时值反 C() 2

:

—

D U￣N2—

馈控制策略，其输出电压静态精度和波形质量分别低于、高于电压源型；由于电压源型的输出周波变

Ⅳl

l r+/

式(、 2中：为输入电网电压的有效值； (≤D换器为 Z S开关，其变换效率高于电流源型；电压 1 () ) DO V≤1 )为输出滤波器前端电压 B在一个开关周期 T 源型和电流源型分别适用于中大、小功率变换场合； 内的占空比；Ⅳ- 2、Ⅳ分别为高频变压器原、副边绕两者均具有较强的过载能力。 组匝数；r为变换器等效内阻；毗为交流负载。 电压源型原理样机阻性满载时的试验波形，如理想情形(= )C r0C M、临界 C M、DC时该类图 3a,d所示。可见：变压器工作在高频状态， C M () ) f 变换器的外特性分别为 绕组电压为双极性三态高频脉冲波；输出滤波器前 WM波；输出电压波形质量高； UoD 0 = U N ()端电压为单极性 P 3/=/ D(— c4c 1D):

V ()输出周波变换器实现了 Z S开关。 4Ⅳ2

:

Uf 4 D+I/ G oI一

() 5

电流源型原理样机阻性满载时的试验波形，如

式4 (中 n= 2/5I ) (、5, m NT (N f。 ) )￣1 L

图 3ef ) (,g所示。可见：变换器工作在 D M模式， ) C 有四种工作模式，功率器件为硬开关。相对于电压

同样采用状态空间平均法可求得，电流源型变源型，电流源型的输出电压波形质量更高。

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磊等：两种高频交流环节 ACAC变换器比较研究/

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原理样机的试验结果与理论分析一致。表 1两种高频交流环节 ACAC变换器的设计实例/T b. s n e a p e f wo k n so a 1De i x m lso i d f g t AC/ AC o v r e swi h g e u n y a nk c n e t r t i h f q e c cl h r i

性能

类型

输出￣/m z输出电压输出电压额定阻性负载体积/ V mm重量 g功率密度 wc /m rH/ 直流分量/变换效率// D% T V%

过载能力

电压源型电流源

型

正激变换器

简洁

移相控制

中大小

高高

高较高

较宽宽

较低低

较高高

较低低

较难较易

反激变换器更简洁瞬时值控制

螺>

5综合比较两种高频交流环节 A/ CAC变换器的综合比较， 如表 3所示。相对于电压源型，电流源型变换器具t

瓷啦：《

有电路拓扑更简洁、输入电压范围更宽、输出波形质量更高、可靠性更高、成本更低、工程实现较易、 和 u b。 ) 电 ()压原边电压 U。原边电流 i (输出滤波器前端电压“和输出压‰ a变器-,

一蜒“ ?>. .

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变换效率略低和适用于小功率变换场合等特点。

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6结论( )新颖的电压源 ( 1电流源 )高频交流环节 A/ CAC变换器电路结构，由输入周波变换器、高频变压器 (高频储能式变压器 )输出周波变换器以及、

u i Is g. . U—

5格 u t ()出电压 U和输入电压 U ()的漏源电压 Us驱动电压“ c输。 ds d和~

b- -

.

I输入、输出滤波器构成。 l

}

n

( )采用具有输出周波变换器换流重叠、输入 2

L一 15/ ms格 t ()。 eS的漏源电压“出与驱动电压““

L

电网电压极性选择、输出周波变换器在前级输出电压为零期间进行开关转换的单极性移相控制策略， 电压源型变换器实现了变压器漏感能量和输出滤波电感电流的自然换流、出周波变换器的 Z输 VS开关、 输出滤波器前端电压为单极性 P WM波。

5s g/格 t ()。 fS的漏源电压“驱动电压“与

广 ,厂、 、^\\/ ,

搴善

j\, /厂厂/

5/ ms格

t

(出电压“和输入电压“输。

( )采用具有输入电压极性和工作模式选择的 3电压瞬时值反馈控制策略，电流源型变换器具有 4 种工作模式，每种工作模式相当于一个 Fya变换器。 l c bk ( )相对于电压源型，电流源型变换器具有电 4

图 3两种原

理样机的试验波形Fi . T s v f r f wok n so ep o o y e g3 e twa e o mso i d ft r t t p s t h

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路拓扑更简洁、输入电压范围更宽、输出波形质量更高、可靠性更高、成本更低、工程实现较易、变换效率略低和适用于小功率变换场合等特点。 ( )原理样机的试验结果与理论分析一致。 5

He Yi a g, L u Yo g.S mu ai n s d o h t x o v r r k n i n i lt t y n t e mar c n e e o u i t

i pe e t y A— i c c n o c e eJ.T a sc o s o m lm n b C AC dr t o t lsh m[ d e e r】 r at n f n i h n e r e nc 1 o i y 0 2 73:4— 3i C iee . C ia 1 t t h ia s c t,2 0, 1 () 85 ( hn s) E co c e n [0 as H l,Si Mu kN esn o e ls r u e d l in 1】L el r e t n— i e .A n v l o s e c mo ua o g l d d t s a g r t xc n e￣s】 I E E C, a c u e,2 0,: r e o Ma i t t yf r o v r[ . E EP S V o v r 0 1 2 t C nl 0 . 7. 1 2 10 1

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f u n y AC l kJ.P o edn s o h S E,2 0,2 ( 1: r ec i[ q e n】 rc e ig fte C E 0 3 3 1) 2—2i C i

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c r n[ . o e d g f e S E 2 0, 42: 1 5i C i s) ur t】 P ce i s t E, 0 4 2 () 6— ( h e e. e J r n oh C 6 n n

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ei c mp n n i n h l a

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A— a s r e[ .Po e ig fteC E,2 0,2 ( 2: C AC t f m r】 rc e n so S E 0 5 5 1 ) r n o J d h 19 13i hn s) 4—5 ( C iee . n

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收稿日期：20 .5 1。 0 60.5作者简介：

F gX p n . v lo oo i f cc o p r[ .P w r lc o is n a u eg No e tp lge o h p es】 o e et nc, s a J E r 2 0,3 () 54 ( hn s) 0 1 5 1:4—7i C iee. n [】 C BJ cbn, u s oB a d o Ol e a e a. i—w t n l p ae 8 o ia C r n r a, i i,t S xs i hs ge h s a i n vr 1 c i— AC A o v r rC .I E P C,An h i/ C c n e e[】 E EA E t ae m,2 0, 1 1 6 12 0 1: 8—9 ._

李磊 (9 5 ) 17一，男，博士，讲师，研究方向为功率电子变换技术，l n a@ sn .o l u a i ac m;

陈道炼(9 4,男，教授，博士生导师，研究方向为功率电子变 16一)换技术、航空电源等。

[】贺

益康，刘勇 .交一交直接变换控制下矩阵式变换器的仿真研究 9 [】 J.电工技术学报，2 0, 1() 85 . 0 2 73:4 .3

(编辑

王彦骏 )