推挽型电力电子变压器的研究与设计

张家金， 韩正之

(上海交通大学 电子信息与电气工程学院， 上海 200240)



推挽型电力电子变压器的研究与设计

张家金， 韩正之

(上海交通大学 电子信息与电气工程学院， 上海 200240)

相较于传统的电力变压器，电力电子变压器是一种新型的将电力电子技术与高频变压器结合起来的电能传输装置。以改进型电力电子变压器为研究对象，提出两类新型电力电子变压器拓扑，一类为交流推挽型电力电子变压器;另一类为推挽型交-直-交电力电子变压器。这两类推挽型电力电子变压器所需元器件更少，结构更为简单紧凑，但具有与常用变压器相同的功率因数。分析了这两类新型电力电子变压器的理论基础和优点，并运用Matlab/Simulink进行了仿真分析，结果验证了方案的正确性。

电力电子变压器； 推挽电路； 交交变换器； 交直交变换器

0 引 言

电力电子变压器(PET)[1]是一种采用PET和高频开关变压器实现电压变换和能量传递的电能传输装置，相较于传统的变压器，PET具有许多优点，如体积小、重量轻、成本低、供电稳定、控制策略灵活等[2-3]。目前，PET的研究依然处在发展阶段，其理论还不够完善，存在着一些需要解决的问题，如复杂电路拓扑下的串联均压问题等[4-6]。

实际应用中，PET一般为高压输入—低压输出，并通过包含的高频变压器实现降压和电气隔离[7]。按PET前级和后级的结构对其进行分类，变压器前、后级电路均可分为交-交型或交-直-交型两类。在目前已提出的电路拓扑中，前级交-交型电路通常为单相或三相矩阵变换器型[8-9];而前级交-直-交型电路一般运用传统的PWM整流桥与逆变器[10-11]。变压器后级电路则主要包括高频输入的单相二极管不可控整流、单相PWM可控整流与逆变、矩阵变换器型等[12]。这些结构所需的电力电子器件都比较多，结构相对复杂。本文提出用推挽技术来设计PET。推挽拓扑电路结构简单、变压器磁芯利用率高，这些优点可以成为PET设计的依据[13-14]。

1 推挽型PET电路拓扑与工作原理

推挽电路是一种重要的实用技术，广泛应用于电路的功放环节。在功放电路中，它通常采用2个参数相同的功率BJT 管或MOSFET 管，各自负责正负半周的波形放大任务[15]。电路工作时，两只对称的功率开关管每次只有一个导通，所以导通损耗小、效率高[16]。本文将推挽电路应用于PET中，提出了两类新型的推挽型PET。

1.1 交流推挽型PET

交流推挽型PET的电路拓扑见图1，其设计输入交流电压10 kV，输出的单相交流电压±220 V。

图1中，电感L1和电容C1构成网测滤波器，主要起到滤波的作用。两组双向开关BS1、BS2构成PET前级功率电路，其作用是将变压器前级电网侧的50 Hz工频电压斩波成高频电压，传输到变压器前级线圈。两组双向开关的开关频率高于1 kHz，占空比均为50%。T1为高频降压变压器，用于降压和隔离。

双向开关BS3～BS6构成了单相-单相矩阵变换器，其作用是将经过变压器线圈降压的低压高频交流电压还原为工频交流电压，为后级负载供电。其中BS3与BS6为一组，两者的驱动脉冲相同；BS4与BS5为另一组，两者的驱动脉冲也相同。它们的开关频率与前级的BS1、BS2相同，占空比也均为50%。电感L2和电容C2为后级滤波电路，RLC1为电路负载。

图1所示电路实现变压的工作原理如下：交流推挽型PET前级的AC-AC变换器部分与常见的交-交变换电路不同，它利用变压器绕组的额外抽头以及两组功率半导体双向开关，达到将工频交流电压变换为高频交流电压的目的。两组半导体双向开关的控制信号为互补导通的高频矩形脉冲信号，占空比50%。当输入交流电压在正半周时，左侧的双向开关触发导通时，变压器下端电压更高；右侧的双向开关触发导通时，变压器的上端电压更高。而当输入交流电压在负半周时，左侧的双向开关触发导通时，变压器的上端电压更高；右侧的双向开关触发导通时，变压器下端电压更高。由于控制双向开关通断的触发脉冲频率远比工频要高，因此在交-交推挽电路的输出端，工频交流电压就被变换为高频交流电压，最终输入给高频变压器的初级线圈。

这种交流推挽型PET的优点在于既实现了PET的功能，又使所用半导体变流器件比常见的矩阵变换器型结构减少了50%，更加便于灵活控制。同时结构更加紧凑，效率更高，制造成本也相对更低。

1.2 推挽型交-直-交PET

推挽型交-直-交PET的电路拓扑如图2所示，其设计输入交流电压为10 kV，输出的单相交流电压±220 V。这类PET在电网侧，先利用整流电路将工频交流电压整流为直流电压，随后通过推挽逆变电路将直流电压逆变为高频交流电压。

图2中，电感L1和电容C1构成网测滤波器，与在图1中一样，主要起滤波作用。反向快速恢复二极管FRD1～FRD4构成高压整流桥，起到将电网侧的工频高压交流电压整流为直流电压的作用。电容C2负责过滤整流完之后直流中的交流成分。半导体开关器件RCS1、RCS2构成推挽电路，主要作用是将直流高压逆变为高频交流电压，以传输给高频变压器前级线圈。两个半导体开关器件的触发脉冲信号频率很高，一般高于1 kHz，占空比均为50%。T1为高频降压变压器，用于降压和电气隔离。推挽型交-直-交PET的后级负载侧与之前介绍的交流推挽型电力电子变压器后级一样，在此不再赘述。

这类变压器的工作原理如下：推挽型交-直-交PET的AC-DC部分电路为最常见的传统整流桥。而在DC-AC部分，与传统逆变桥不同，它利用变压器绕组的额外抽头，只要两个功率半导体开关器件就可以达到逆变为高频交流电压的目的。两个半导体开关器件的控制信号为互补导通的高频矩形脉冲信号。根据电路，当左侧IGBT导通时，变压器下端电压更高；而当右侧IGBT导通时，变压器上端电压更高。因此，由于触发脉冲信号频率很高，直流电压就被推挽电路逆变为了高频方波交流电压，最终输入给高频变压器的初级线圈。

这种交-直-交PET中的推挽结构相比于传统结构，在同样实现PET功能的基础上，其变流器件的数量大大减少。这样既降低了制造成本，减少了工作损耗，也更容易优化控制策略，具有很广阔的研究价值和前景。

2 仿真分析

2.1 交流推挽型PET的仿真

根据图1中的电路，利用Matlab/Simulink建立交流推挽型PET的仿真电路，包括功率电路和控制电路，其仿真参数设置如下：交流输入电压10 kV，滤波电感L1=0.25 mH，电容C1=5 μF。高频交流电压的频率由仿真电路中Pulse Generator模块产生的脉冲信号频率决定。在此处仿真中，脉冲信号频率为5 kHz。仿真采用理想开关，忽略开关损耗。

仿真环境下，网侧输入电压与电流波形如图3所示。在显示电压时，对其做了除以20的处理。由图可见，电网侧稳态电流波形与输入电压波形相位基本一致，可见交流推挽电路能有效的保证整个电路的功率因数基本为1。作为对比，常见的矩阵变换器型PET的网测电压与电流波形如图4所示。可见，推挽型PET得到的功率因数与矩阵变换器拓扑得到的功率因数相比，几乎一样甚至更接近1。

经过推挽电路后，输入工频交流电压被斩波为高频交流电压，其总体波形如图5所示。可见交流电压幅值的变化依旧按正弦规律。将其中某个部分的波形放大，就得到了高频交流电压的局部波形，如图6所示。其频率为5 kHz，与双向开关触发脉冲信号的频率一致，波形的占空比为50%。可见推挽电路确实将工频交流电压变换成了高频交流电压，仿真结果验证了理论分析的正确性。

图5 变压器前侧高频交流电压的总体波形

2.2 推挽型交-直-交PET的仿真

根据图2中的电路，利用Matlab/Simulink建立推挽型交-直-交PET的仿真电路，包括功率电路和控制电路，其仿真参数设置如下：交流输入电压为10 kV，滤波电感L1=0.25 mH，电容C1=5 μF，并联大电阻R1阻值50 kΩ。电路中两个IGBT器件互补导通，其通断控制信号为仿真电路中Pulse Generator模块生成的高频方波脉冲。而得到的高频交流电压的频率也正取决于该方波脉冲信号的频率。在此处仿真中，脉冲信号频率为5 kHz。仿真采用理想开关，忽略开关损耗。

仿真环境下，网侧输入电压与电流波形如图7所示。在显示电压时，对其做了除以50的处理。由图可见，电网侧稳态电流波形与输入电压波形相位基本一致，可见交-直-交推挽电路也能有效地保证整个电路的功率因数基本为1。作为对比，常见的PWM整流与逆变型PET的网测电压与电流波形如图8所示。可见，推挽型交-直-交PET得到的功率因数与PWM整流逆变拓扑得到的功率因数相比，结果更理想，更接近于1。

工频交流电压通过整流桥后被整流为单向的直流电压，其波形如图9所示。图中直流电压中每个半波的持续时间恰好为交流电压周期的1/2，可见经过整流桥电路后，电路已基本达到了AC-DC整流的目的。

整流后的直流电压接入推挽电路后，被逆变为高频交流电压，总体波形如图10所示。可见，高频交流电压幅值变化的包络线与经过整流桥整流得到的直流电压的包络线是一致的。将其中某个部分的波形放大，就得到了高频交流电压的局部波形，如图11所示。其频率为5 kHz，与脉冲信号的频率一致，波形的占空比为50%。可见推挽电路确实将直流电压逆变成了高频交流电压，仿真结果验证了理论分析的正确性。

图10 变压器前侧高频交流电压的总体波形

3 结 语

本文以推挽型PET为研究对象，提出了交流推挽型PET和推挽型交-直-交PET这两类新型PET拓扑，分析了它们的工作原理，并利用Matlab/Simulink进行了10 kV工频交流电压供电时的仿真分析。结果表明,这两类推挽型PET方案与当前常用的PET具有相似的功率因数，但其电路拓扑结构更为简单，有广阔的发展前途。

图11 变压器前侧高频交流电压的局部波形

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Research and Design of Push-Pull Power Electronic Transformer

ZHANGJia-jin，HANZheng-zhi

(School of Electronic Information and Electrical Engineering, Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240, China)

The development of Smart Grid and power electronic technologies has driven a lot of new development in power system, especially the development of power electronic transformer (PET). Comparing to the traditional electrical transformer, PET is a new kind of power transmission device, which combines the high-frequency transformer with the power electronic technologies. This paper takes improved power electronic transformer as the main analysis object, and proposes two new kinds of topologies for the transformer. The first kind is AC-AC push-pull power electronic transformer, and the second is AC-DC-AC push-pull power electronic transformer. These two are much simpler than the common transformer. They all need fewer components, but could get the equivalent power factor as the normal transformer. On the basis of theoretical analysis, the simulation is conducted by Matlab/Simulink, and results validate the effectiveness of schemes.

power electronic transformer; push-pull circuit; AC-AC converter; AC-DC-AC converter

2014-10-30

张家金(1990-)，男，江苏南通人，硕士生，主要研究方向为电力电子变压器中的新设计及其应用。

Tel.：13818207362; E-mail:zjjmonkey@126.com

韩正之(1947-)，男，上海人，教授，博士生导师。

Tel.：13901718127; E-mail:zzhan@sjtu.edu.cn

TM 41

A

1006-7167(2015)03-0074-04