一种Buck型高频隔离三电平逆变器

夏烈，胡文斌，徐高晶

（1.中国电力科学研究院，江苏南京211106；2.南京理工大学自动化学院，江苏南京210094；3.南京南瑞太阳能科技有限公司，江苏南京210009）

一种Buck型高频隔离三电平逆变器

夏烈1，胡文斌2，徐高晶3

（1.中国电力科学研究院，江苏南京211106；2.南京理工大学自动化学院，江苏南京210094；3.南京南瑞太阳能科技有限公司，江苏南京210009）

针对传统Buck型高频隔离两电平逆变器在高压大功率场合中开关管电压应力大的不足，研究并设计了一种Buck型高频隔离三电平逆变器。该Buck型三电平逆变器电路拓扑具有功率开关管电压应力小，输出交流电压波形质量好，谐波含量少等特点。在提出逆变器拓扑的基础上，对其工作原理进行了详细的叙述，并设计了基于电压瞬时值反馈的闭环控制策略。该控制策略可以很快地响应输入电压与输出电压的变化。最后基于Saber搭建仿真模型仿真验证拓扑的正确性，并在实验室制作了一台1kW的样机，对理论分析结果进行了实验验证，实验结果验证了该Buck型高频隔离三电平逆变器的正确性和实用性。

Buck；高频隔离；三电平；逆变器

1 引言

在中压、高压大容量变频调速器和有源电力滤波器大量应用的促使下，多电平逆变技术已成为当前电力电子变换技术中重要的研究热点而倍受人们关注［1］。半导体技术的发展也对多电平技术提供技术上的支持［2-3］。

目前国内外学者对于多电平逆变器的研究，主要在阶梯波合成逆变器［1，4］，对于高频隔离式多电平逆变器的研究则非常少，且主要局限在直-交-直-交型具有3级功率变换的高频环节逆变器［5］。

本文在传统Buck型两电平逆变电路结构基础上，引入二极管钳位多电平技术，提出了一种Buck型高频隔离三电平逆变器。和传统的两电平逆变器相比，该Buck型三电平逆变器可以在输出滤波电感前端获得三电平电压波形，提高了输出电压波形质量，同时减小开关管承受的电压应力［6-7］。使其能在更高输入电压、更大功率的场合使用，具有良好的应用前景。

2 电路结构

Buck高频隔离三电平逆变器可看作是在传统Buck逆变器基础上，在输入侧引入2个电容串联于输入电压源两端，以作钳位电压源之用。通过控制电路控制不同开关管的通断，可以在变压器前端分别获得Ui，Ui/2，0 3种电平。

该逆变器拓扑如图1所示，由输入直流电压源、输入分压电容、Buck型三电平变换单元、高频隔离式变压器、周波变换器和输出负载组成。其中Buck型三电平变换单元由2个桥臂组成，当一个桥臂的功率开关管工作时，另外一个桥臂的功率开关管电压应力被二极管钳位在输入分压电容的两端，因此能减小开关管电压应力，同时2个桥臂轮流工作，确保变压器不出现磁饱和现象。该电路还具有结构简单，功率密度高，输出滤波器体积小，能将输出直流电源变换成稳定优质的交流电等优点。

图1 Buck型高频隔离三电平逆变器拓扑图Fig.1 Buck-mode high frequency isolation three-level inverter topology

3 控制策略

Buck型高频隔离三电平逆变器采用基于电压瞬时值反馈控制的SPWM方案［5-7］，该控制原理如图2所示。将Buck型三电平逆变器输出的正弦交流电压Uo的采样信号Uof与基准正弦信号Ur（和电网电压同步）相比较，并经过误差放大器后便能得到误差放大信号Ue，将该误差放大信号通过绝对值电路后，分别与锯齿波Sw1，Sw2相比较，得到SPWM信号Uhf1，Uhf2，将SPWM信号Uhf1通过D触发器二分频后与输入电压极性信号Usy，SPWM信号Uhf1及Uhf2通过一系列逻辑门电路后便能得到各开关管驱动信号，再通过驱动电路使得开关管工作。

图2 电压瞬时值反馈控制Fig.2 Voltage instantaneous value feedback control

4 工作模式及稳态分析

4.1 工作模态

在分析原理前，作以下假设：

1）电路中所有元器件均是理想器件，并且电源内阻为零；

2）选取同样规格参数的C1，C2，且C1=C2。

当负载为阻性负载时，在一个输出周期内，开关管有12个工作模态，在输出电压正半周期与负半周期相比，仅仅是全波式周波变换器2个4象限功率开关管的工作模式相互调换。因此简化分析输出正半周期内开关管6种工作模态，如图3所示。

图3a所示的工作模式A，开关管S1，S4，S5开通，其余断开，原边电流iN1经S1，S4流通，滤波电感电流iLf流经S5和二极管D8，给负载供电，同时给滤波电容充电，此时变压器副边电流不断增加。由此可得输出滤波电感前端电压关系式：UAB=(N3/N1)Ui。

图3b所示的工作模式B，开关管S4，S7开通，其余断开，原边电流iN1经D5，S4流通，滤波电感电流iLf流经S5和二极管D8，此时变压器副边电流继续增加。由此可得输出滤波电感前端电压关系式：UAB=(N3/2N1)Ui。

图3 工作模式图Fig.3 Work mode

图3c所示的工作模式C，开关管S5，S8开通，其余断开，滤波电感电流iLf经S5，二极管D8，S8和二极管续流，但是流经S5、二极管D8的电流会逐渐减小，而流经S8、二极管D9的电流则逐渐增大，从而实现了电流在2个双向开关管之间的换流。该模式下高频隔离变压器原边绕组侧输出电压UN1和UN2都为0，通过分析工作原理可以得到输出滤波电感前端电压UAB=0，这样可以防止周波变换器在换流重叠期间发生电流环流现象［7］。工作模式F与图3c的工作模式C相似，仅是电流流向不同，因此不再赘述。

图3d所示的工作模式D，开关管S3，S2，S7开通，其余截止，原边电流iN1流经S3，S2，滤波电感电流iLf经S7和二极管D10流通，此时流经变压器副边的电流逐渐增大。由此可得输出滤波电感前端电压关系式：UAB=(N3/N1)Ui。

图3e所示的工作模式E，开关管S3，S7开通其余截止，原边电流iN1流经S3和二极管D6，滤波电感电流iLf流经S7和二极管D10，此时变压器副边电流继续增加。由此可得输出滤波电感前端电压关系式：UAB=(N3/2N1)Ui。

4.2 逆变器稳态外特性

图4为输出的滤波电感电流iLf分别工作在临界CCM和DCM时一个高频开关周期内的电流波形。

图4DCM模式和临界CCM模式时一个高频开关周期内iLf波形Fig.4 Filter inductive current waveforms in critically DCM and CCM during one switching period

由推导可得出变换器状态变量的稳态值：

理想情形（变压器绕组等效电路为0，忽略开关管电压降），且输出滤波电感电流连续时逆变器外特性为

令临界连续时的负载电流为IG，由面积等效原理可得：

简化分析，令D=2D1，得：

考虑到变换器工作时能满足磁复位的条件有D≤0.5，所以当D=0.5时，IG取得最大值，即

故理想情形且滤波电感电流临界连续时逆变器的外特性为

令理想情形且滤波电感电流断续时的负载电流为Io，由面积等效原理可得此时变换器外特性为

通过上述分析可得，Buck型三电平逆变器的标幺外特性关系为

图5中曲线A为滤波电感电流临界连续时外特性曲线，由式（7）决定；曲线A右边为滤波电感电流连续时外特性曲线，实线为理想情形时曲线，由式（3）决定。可以看出当变换器工作在理想CCM模式时，输出电压的大小与输出电流大小无关，有类电压源特性。虚线为实际情形时曲线，由式（1）决定，可见随着负载电流的逐渐增加，输出电压逐渐减小；曲线A左边为滤波电感电流断续时外特性曲线，由式（8）决定，当变换器工作于DCM模式时，变换器存在很高的非线性内阻，有类电流源特性。

图5 变换器标幺化的输出特性Fig.5 Normalized output characteristics of the inverter

4.3 与传统Buck型逆变器比较

假定满足以下条件：输入输出电压值相等、输出滤波电感电流脉动频率及脉动幅值相等、高频隔离变压器匝比相等、输出电容两端电压纹波相等。

传统Buck型逆变器从输入侧看，功率开关管的电压应力为(1+N2/N1)Ui［5，8］，而Buck型高频隔离三电平逆变器功率开关管S1，S4所承受电压应力只有1/2Ui，功率开关管S2，S3电压应力为(1/2+N2/N1)Ui。可以看出虽然开关管数量增加了，但是每只开关管的电压应力低，且1/2Ui+(1/2+N2/N1)Ui=(1+N2/N1)Ui，达到了用2只承受电压应力较小的开关管取代1只承受电压应力较大的开关管的作用，这在高压输入的逆变场合具有良好的运用前景。

5 仿真分析及实验验证

5.1 仿真分析

在理论分析的基础上，基于Saber搭建Buck型高频隔离三电平逆变器的模型进行仿真验证。仿真参数：Ui=200 V，S=1kV·A，开关频率为50 kHz，N1:N2:N3:N4=6:6:31:31，所有主功率开关管的占空比D均小于或等于0.5，Lf= 220μH，Cf=40μF，RL=48Ω。仿真结果见图6。

图6 仿真结果Fig.6 Simulation results

通过Saber仿真分析及实验结果可以得出以下3个结论。

1）输出电压波形质量好，纹波谐波电压比较小，通过傅里叶级数分析得出其ΤHD=1.366%。从仿真结果可以看出输出电压主要为基波分量，存在少量的谐波。

2）输出滤波器的前端可以获得3个电平，减小了功率开关管的电压应力，主功率开关管应力减小了Ui/2。

3）从仿真分析与理论分析的一致性可以证明该拓扑的正确性和实用性。该逆变器拓扑简洁，具有双向功率流，输出滤波器体积较传统Buck逆变器更小，适合应用于更高电压、更大功率的场合。

5.2 实验验证

在实验验证拓扑正确性的基础上，在实验室环境下制作了一台1kW的样机，进行实验验证。样机参数：变压器选取LP3材料的磁芯PM74，两原绕组和两副边绕组分别为6匝、6匝、31匝和 31匝，功率开关管 S1，S4选用FQA40N25，功率开关管S2，S3选用IRFP460，输出全波式周波变换器部分功率开关管均选用C2M0080120D。

以输出电阻性负载为例，样机实验结果如图7所示。

图7 实验波形Fig.7 Experimental waveforms

从实验结果可以看出，Buck型三电平逆变器输出220 V交流标准正弦波，电压纹波和电流纹波都很小，开关管电压应力及滤波器的前端电压均满足理论及仿真分析。从实验结果中可以看出功率开关管电压应力得以减小，设计目标得以实现。

6 结论

本文提出并研究了一种Buck型高频隔离三电平逆变器，并对所提出拓扑的工作原理、变换器外特性进行了分析，在理论基础上设计了基于电压瞬时反馈控制的SPWM控制策略。

基于Saber仿真分析和样机实验结果均体现了该逆变器可以获得质量良好的输出交流电压波形，且其动态响应速度快，负载的适应强，输出电压波形中谐波含量很少。

在输入与输出都相同的情况下，该Buck型三电平逆变器开关管电压应力比传统Buck型逆变器小，且一个桥臂上2只功率开关管所承受的电压应力之和与传统一只功率开关管所承受电压应力大小相同，因此拓宽了开关管选取范围，在更高输入电压、更大功率的场合具有良好的应用前景。

［1］刘凤君.多电平逆变技术［M］.北京：机械工业出版社2007.

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［5］陈道炼.静止变流器［M］.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社2004.

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［8］陈道炼.DC-AC逆变技术及其应用［M］.北京：机械工业出版社，2003.

Buck-mode High Frequency Isolation Three-level Inverter

XIA Lie1，HU Wen-bin2，XU Gao-jing3
（1.China Electric Power Research Institute，Nanjing 211106，Jiangsu，China；2.School of Automation，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，Jiangsu，China；3.Nanjing Nari Solar Energy Technology Co.，Ltd.，Nanjing 210009，Jiangsu，China）

In order to solve the problems that high voltage stress existed in traditional Buck high frequency isolated two-level inverter in the field of high power a kind of Buck high frequency isolated three-level inverter was designed.The topology of inverter has advantages such as low voltage stresses，high wave quality of output voltage and little harmonic wave.The working principle of inverter and control policy which is based on the feedback of voltage instantaneous value were also investigated.The control policy can respond fast to the change of input and output voltage.Finally a simulation model which is based on saber was set up to prove the correctness of topology.A model machine of 1kW was made in laboratory to prove the theoretical analysis.The results prove the correctness and practicality of Buck high frequency isolated three-level inverter.

Buck；high frequency isolation；three-level；inverter

TM46

A

2014-04-16

修改稿日期：2014-05-28

夏烈（1983-），男，硕士研究生，工程师，Email：xialie@epri.sgcc.com.cn