《電子技術應用》
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一種新型三電平智能變壓器的研究
來源：電子技術應用2013年第5期
周振軍1，李 磊2，杭靜宇1，鄒曉漁1
1.中航工業(yè)雷達與電子設備研究院，江蘇 無錫214063； 2.南京理工大學 自動化學院，江蘇 南京210094
摘要： 研究了一種新型的三電平智能變壓器拓撲。以SEPIC變換器為例，將多電平技術應用到智能變壓器中，使得開關管的電壓應力得到大幅下降，同時也減小了濾波器的體積。分析了其工作原理和開關模態(tài)，并設計了帶電容均壓控制的電壓瞬時值反饋控制策略。最后，完成了一臺500 W單相原理樣機，通過實驗驗證了新型拓撲及控制策略的正確性，充分體現了SEPIC式三電平智能變壓器的優(yōu)越性。
中圖分類號： TM46
文獻標識碼： A
文章編號： 0258-7998(2013)05-0065-04
Research on three-level intelligent transformer
Zhou Zhenjun1，Li Lei2，Hang Jingyu1，Zou Xiaoyu1
1.Avic Radar and Avionics Institute，Wuxi 214063，China； 2.Department of Automation, NUST, Nanjing 210094，China
Abstract： This paper proposes a new topology structure of three-level intelligent transformer. Firstly，researches the topology structure of SEPIC three-level intelligent transformer. The multi-level technology is applied to the topology, which can obviously reduce the voltage stress of switches and the volume of filter. Secondly, analyzes its working principle and switching mode, and designs transient voltage feedback control strategy with same capacitor voltage. In the end, a single phase principle prototype is made to verify the feasibility of new topology and correctness of control strategy. By experiment, results show excellent performance of prototype, and fully reflect the superiority of SEPIC three-level Intelligent Transformer.
Key words : power electronic transformer；three-level；AC-AC converter；AC voltage regulator；SEPIC converter

    智能變壓器作為電力電子變壓器PET（Power Elec-tronic Transformer）的一種，最早由Koosuke Harada等人于1996年提出，其“智能”主要體現在它不僅實現了電壓的變換和能量的傳遞，而且能靈活控制高頻變壓器原副邊的電壓幅值和相位。后來漸漸發(fā)展成電力電子變壓器體系，統(tǒng)稱為電力電子變壓器。在電力行業(yè)快速發(fā)展的今天，更應加強對電力電子變壓器新型拓撲和控制策略的研究。

    多電平智能變壓器不僅具備了傳統(tǒng)電力電子變壓器的特點，而且多電平技術的引入還帶來了許多新的優(yōu)勢。例如在交流電能轉換領域，與兩電平的電力電子變壓器相比，其輸出電壓的幅值與相位可靈活控制，且輸出電壓的諧波含量低。另外，高壓大功率場合也是多電平智能變壓器的重要應用領域，有效解決了兩電平電力電子變壓器高開關應力、高dv/dt等問題。多電平智能變壓器的靈活性和可控性使其在航空、航天、航海、制造業(yè)、冶金等軍事工業(yè)領域也能發(fā)揮重要作用。所以，對多電平智能變壓器的研究具有重要的理論價值和現實意義。
1 工作原理
1.1 拓撲結構及工作模態(tài)介紹
    三電平智能變壓器拓撲如圖1所示。Ct1和Ct2為兩個容值相等的儲能電容， Cf1、Cf2為兩個容值相等的輸出濾波電容；T為推挽全波式變壓器，且4個繞組的同名端均相同，拓撲中的高頻變壓器不僅起到了電氣隔離的作用，而且對電壓等級也可靈活控制；4組反向串聯的開關管S1a、S1b和S2a、S2b，S3a、S3b和S4a、S4b，構成了交流環(huán)節(jié)雙向開關管，使能量可雙向傳遞。三電平智能變壓器可將輸入的劣質交流電壓波形轉變成平滑可調的交流輸出波形。

    根據輸出側交流電壓值大小的不同，SEPIC式三電平智能變壓器可以工作在D<0.5和D>0.5兩種情況下。


1.2 工作特性分析
1.2.1 主要電壓、電流之間的關系表達式
    為了方便分析，以變壓器原副邊中間抽頭為分界線，將變壓器等效分為上下兩部分：T1和T2，且變比相等均為n。下列各式中uT1p、uT1s為T1原邊和副邊的繞組電壓，uT2p、uT2s為T2原邊和副邊的繞組電壓。
    一個開關周期中，電感電流變化量及主要電量間的關系如下：

1.2.2 變壓器磁復位分析
    推挽全波式變壓器結構簡單且對稱，所以應用較為廣泛，特別是中小功率場合。但是該變壓器在使用中容易產生偏磁現象[1]，原因主要有兩點：(1)電路的工作原理導致變壓器無法完成磁復位；(2)功率開關管控制方式上的差異使得變壓器原邊伏秒積不平衡。
    根據SEPIC式三電平智能變壓器的工作原理可知，開關管S1、S2的占空比相等，這樣保證了變壓器原邊繞組伏秒積相等，不會產生偏磁現象。但是實際樣機制作中由于器件的差異、控制信號的偏差等不可能保證兩個開關管的占空比完全相同，這就是產生偏磁現象的主要原因。
    抑制SEPIC式三電平智能變壓器中的推挽全波式變壓器偏磁現象主要從兩方面著手：功率電路元器件的選擇和控制策略的設計。一方面，繞制變壓器時要加氣隙，不至于因偏磁而導致迅速磁飽和；選擇型號相同的MOSFET作為功率開關管，且留有一定的電壓、電流裕量。另一方面采用均壓控制策略，即在控制中加入占空比修正電路，這種控制方法保證了S1和S2的占空比相等，也就保證了磁通在一個開關周期內可以沿著磁滯回線回到起點以及伏秒積相等，從而保證了SEPIC式三電平智能變壓器的正常工作。
2 控制器設計
    根據上述對SEPIC式三電平智能變壓器工作原理的分析可知，要使電路可靠穩(wěn)定運行并且得到高質量的輸出波形就必須保證電容Ct1和Ct2兩端電壓uCt1和uCt2相等，所以只采樣輸出電壓的單閉環(huán)控制策略不能滿足控制需求，必須加入電容電壓采樣閉環(huán)電路來修正S1a、S2a、S1b和S2b的占空比。圖4所示為控制策略原理框圖，其中uRAMP1、uRAMP2為兩路相位相差180&deg;的三角波信號，uEA1、uEA2為經占空比修正后的誤差信號。

 

 

    控制原理：采樣電容電壓uCt1和uCt2經誤差放大器1生成誤差信號uEA-cd，再反相得到-uEA-cd；采樣輸出電壓uo和基準正弦波uref經誤差放大器2生成誤差信號ue；將uEA-cd和-uEA-cd分別與ue疊加，得到誤差修正信號uEA1、uEA2，再與三角波信號經比較器生成控制信號。其均壓原理[2-4]：如果uCt1大于uCt2，則uEA1減小，S1的占空比相應減小，S2的占空比增大，使得uCt1和uCt2相等；反之，S2的占空比減小，S1的占空比增大。
3 實驗結果
    為了驗證拓撲工作原理和控制電路的正確性，在實驗室完成一臺500 W的單相原理樣機。主要參數：輸入ui=220 V AC/50 Hz，輸出uo=110 V AC/50 Hz；開關頻率fS=50 kHz；儲能電感L1=0.4 mH；變壓器變比n=1.4；儲能電容Ct1=Ct2=15 &mu;F。開關管MOSFET選IRFP460。
    圖5所示為樣機主要實驗波形。圖5(a)為輸入電壓與輸出電壓波形圖，輸出電壓波形正弦度高；圖5(b)為輸入端儲能電容Ct1和Ct2兩端的電壓波形，可以看出波形質量良好，幅值基本相等，達到了均壓的效果，這也間接說明雙閉環(huán)均壓控制策略對抑制變壓器偏磁起到了一定的效果，保證了變壓器的正常工作；圖5(c)~圖5(f)為各開關管電壓應力波形（漏源端電壓），可以看出幅值與理論計算相近，電壓應力相比兩電平時降低了一半，達到了三電平的效果。

    本文研究了隔離式SEPIC AC-AC變換器的工作原理，推導了輸入輸出關系，并進行了閉環(huán)仿真實驗，驗證了拓撲的正確性。實驗結果表明，該變換器的開關管電壓應力比兩電平時降低了50%，使得變換器能夠工作在高壓大功率場合。同時由于三電平的引入，減小了輸出電壓諧波污染，電感值也比兩電平時減小了許多，這樣大大減小了變換器的體積，從而實現更廣泛的應用，具有很高的理論價值和工程價值。
參考文獻
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[3] Chen Wu，Ruan Xinbo，Yan Hong，et al.DC/DC conversion systems consisting of multiple converter modules：stability，control and experimental verifications[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2009，24(6)：1463-1474.
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