新型单相电压型准阻抗源AC-AC变换器*

2017-04-25房绪鹏许玉林李昊舒

电子器件 2017年2期

关键词：导通电容器电感

房绪鹏,徐飞,许玉林,李昊舒

(山东科技大学电气与自动化学院,山东青岛 266590)

新型单相电压型准阻抗源AC-AC变换器*

房绪鹏*,徐飞,许玉林,李昊舒

(山东科技大学电气与自动化学院,山东青岛 266590)

给出一种新型的电压型准阻抗源AC-AC变换电路,分析了电路的基本结构和工作原理。这种电路拓扑由大升压比阻抗网络和单相LC滤波器依序级联构成,大升压比阻抗网络是由储能电感L1和依序级联的2个相同的SLCC型二端口阻抗网络单元串联构成。采用脉冲宽度调制法对电路进行控制从而改变输出电压,利用电感伏秒特性,用MATLAB/Simulink对电路仿真,最后在仿真结果的基础上用TMS320F2812搭建出实验电路,实验结果和仿真结果共同验证了电路结构的可靠性和正确性。

电力电子;新型单相变压器;阻抗网络;伏秒平衡;PWM

传统阻抗源变换器的理论日渐成熟,准阻抗源变换器是阻抗源变换器理论和电路拓扑的一个新的研究热点[1-2]。准阻抗源变换器可以克服传统阻抗源变换器的很多缺陷,如在电压型电路中,准阻抗源网络电容器电压相对于阻抗源网络就低很多;在电流型电路中,准阻抗源网络电感电流相较于阻抗源网络电感电流较小等。准阻抗源变换器既可以应用在整流功率变换以及逆变,也可以用于交流调压场合和直流斩波[3-5]。在只需要改变电压大小的情况下,准阻抗源交流调压器可以作为一个很好的选择[6]。

准阻抗源交流变换器的电压增益在理论上可以达到零乃至无穷大,但在实际的应用当中,输入电压较低时,为了得到想要的输出电压幅值,必须增大占空比D,就会使准阻抗源网络的储能电容电压较大[7-9]。

在准Z源变换器的基础上[10-12]提出和深入分析了一种新型的适用于较低输入电压场合的单相电压型准阻抗源交流变换器,这类变换器既保留了准阻抗源交流变换器电路拓扑优点,同时还能拓宽输入电压的变化范围,降低功率开关和阻抗源网络中储能电容的电压应力[13]。文章介绍了这类新型电压型准阻抗源交流变换器的电路拓扑结构,分析了工作原理,并通过仿真和实验结果验证了理论分析。

1 新型准阻抗源的电路结构和工作原理

新型准阻抗源交流变换器电路拓扑如图1所示,该网络拓扑由大升压比阻抗网络将输入、输出连接起来,大升压比准阻抗源网络起到储能和滤波的作用,其中大升压比阻抗网络由储能电感,全控型开关S,电感L以及电容C组成,全控型开关由电力MOSFET或IGBT和反并联二极管面对面进行串联组成双向开关,通过对三组全控型开关采用PWM信号控制。

图1 新型准阻抗源AC/AC电路

图2 准阻抗源交流-交流变换器的5种工作状态

图1所示的新型准阻抗源交流变换电路用互补的PWM脉冲作为控制信号,将S1和S2看做一大组开关,将S3看做一大组开关,1个开关周期内两大组功率开关管互补导通,新型准阻抗源网络输出电压V0的大小是根据不同占空比D下电容器和电感储能的多少来控制的。因为输入电源的频率远远小于开关频率fs,所以分析电路时输入电压可看做直流。新型准阻抗源交流变换器根据不同的电流方向有以下5种工作状态:

工作状态1 如图2(a)所示,开关S1和S2同时关断,S3导通,共有4个电压回路,输入电压Vi、电容器C2和电容C4给电感L1充电,电容器C1电容C4给电感L2充电,电容C3给电感L3充电,电感Lf给负载供电,此时有

vL1=vc2+vc4+vi,vL2=vc4+vc1,vL3=vc3,v0=-vLf

(1)

工作状态2 如图2(b),开关S1和S2同时关断,S3导通,在状态1时,ILf递减到零时电容器Cf会向电感Lf充电,电感电流将反向递增,和状态1下的电压关系式相同。

工作状态3 如图2(c),开关S1和S2同时导通,S3关断,若此时ILf反向电流,Lf会向大升压比准阻抗源网络反馈能量,此时电源电压Vi和电感L1给电容器C1充电,电感L2给电容器C2充电,电感L3给电容C4充电,同时Vi、L1、L2、L3给负载供电,电路的电压关系有

vc1=vi-vL1,vc2=-vL2,vc4=-vL3,vL1+vL2

=vi-vC3,vL3+vLf+vo-vC3=0

(2)

工作状态4 如图2(d),开关S3关断,S1和S2同时导通,大升压比准阻抗源网络的工作状态与状态3类似,但此时ILf正向流动,Vi和L1,L2,L3给负载供电,大升压比准阻抗源网络的电感电流将会递减。

工作状态5 如图2(e),同状态4,网络的电感电流递减至ILf时,负载由网络电容器供电,电压关系在S3关断,S1和S2同时导通条件下仍成立。

上述5种工作状态,分别工作在两大组双向开关互补的条件下,且每种开关状态下回路的电压关系相同,所以在输入电流连续时电路的工作方式总体可分为2种,也就是状态1和状态4做为基本工作模式的工作状态,这两种工作状态是1个周期的稳定工作状态。

通过对上面工作状态的分析,令D做为S3开通的占空比,Ts做为开关周期,DTs作为S3的导通时间为,(1-D)Ts作为S1和S2同时导通的时间,1个电源周期内电感L1,L2和L3的电压为零,结合式(1)、式(2)中开关状态下的电压关系可得

(3)

(4)

(5)

(6)

在1个开关周期内电容器电压近似保持不变可得

(7)

(8)

(9)

(10)

由上面等式可以得到

-vi+(1-D)vc1-Dvc2-Dvc4=0

(11)

-Dvc1+(1-D)vc2-Dvc4=0

(12)

-Dvc3+(1-D)vc4=0

(13)

Dvc1+Dvc2-(1-D)vc3+2Dvc4+vi=0

(14)

可推导出电容器电压和Vi有如下关系

(15)

1个电源周期内电感Lf的电压平均值为零,得

(16)

最后可得输入和输出的电压关系如下

(17)

2 仿真验证

在MATLAB/Simulink下给出了系统仿真结果,仿真参数为L1=L2=L3=100 μH,C1=C2=C3=C4=25 μF,Lf=1 mH,Cf=50 μF,R=100 Ω,fs=20 kHz,Vi=24 V。分别给出了D=0.4和D=0.6时仿真的升压和降压的波形,如图3和图4所示。

图3 D=0.4输入和输出电压波形

图4 D=0.6输入和输出电压波形

图5 实验电路连接图

3 实验结果

按仿真结果搭建出实验电路,控制电路部分采用TMS320F2812产生出互补的PWM信号,驱动部分采用落木源KA962D驱动板,主电路的全控型开关采用SGH80N60UFD Ultrafast IGBT,示波器测出了D=0.1和D=0.65时候的升压和降压波形(红色为输入,蓝色为输出),如图6和图7所示。

电路升压时的波形如图6所示(输入、输出20 V/格)。

电路降压时的波形如图7所示(输入10 V/格,输出5 V/格)。

实验结果验证了理论分析和计算机仿真结果的正确性。

图6 D=0.1升压波形

图7 D=0.65降压波形

4 结论

(1)介绍了一种新型的基于准阻抗源思想的交流变换电路,其拓扑是由大升压比阻抗网络和单相LC滤波器依序级联构成,其中大升压比阻抗网络由储能电感L1和依序级联的2个相同的SLCC型二端口阻抗网络单元串联构成。

(2)深入分析了所提出的交流变压器的电路结构,在一个高频开关周期内的工作原理,并推导出电压增益。

(3)通过仿真和实验验证了理论分析的正确性。实验的过程中采用互补的PWM信号控制,但是对电路提供非互补控制信号时,如采用推挽式的工作模式,占空比不等于0.3时,大升压比准阻抗源电路还有另外两种状态,即所有的功率开关同时导通或同时关断。

(4)这种大升压比准阻抗源网络同样可应用于DC-DC变换的电路中,并交换输入和输出的位置,这种大升压比准阻抗源电路还可实现功率流的双向流动。

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Single-Phase Voltage-Fed Quasi Impedance Source AC-AC Converter*

FANGXupeng*,XUFei,XUYulin,LIHaoshu

(College of Electrical Engineering and Automation,Shandong University of Science and Technology,Qingdao Shandong 266590,China)

A new type of voltage-fed quasi impedance source AC-AC converter is presented,its circuit structure and working principle are analyzed.This kind of converter is cascade composed of impedance network with high voltage transmission ratio and single phase filter. The impedance network with high voltage transmission ratio is composed of energy storage inductanceL1and SLCC type with two ports impedance network units connected in cascade. The output voltage of the circuit is controlled by pulse width modulation method. Using the volt-second characteristics of the converter,the MATLAB/Simulink is used to perform the simulation for the ac converter circuit. The experimental circuit based on TMS320F2812 is built,both of the experimental results and simulation results verify the reliability and validity of the circuit.

power electronics;new type of single-phase converter;impedance network;Volt-second balance;PWM