高频AC-Link高压充电电源

2017-08-08张政权刘庆想王庆峰

电源学报 2017年4期

关键词：功率密度电容器三相

张政权，刘庆想，王庆峰，李伟

（西南交通大学物理科学与技术学院，成都610031）

高频AC-Link高压充电电源

张政权，刘庆想，王庆峰，李伟

（西南交通大学物理科学与技术学院，成都610031）

提出了一种基于AC-Link技术的新型充电电源，在各个工作过程都能实现零电流开关。采用电荷量分配的控制策略，分析电网电压对换流相位的影响。对输入线电流、线电流谐波和开关电流进行了仿真，最后进行了实验验证。实验结果表明：电源平均充电速率为62.5 kJ/s，功率密度为0.6 W/cm3；电流波形能够很好地跟随电压波形，实现高的功率因数，每相总的电压谐波含量小于2%，总电流谐波含量小于10%；矩阵开关工作在软开关条件且实现软切换过程时，能够实现高的效率；在阻性条件下，效率为93%。

充电电源；电荷量分配；功率因数

近年来，随着脉冲功率系统向着高功率、小型化、高重复频率和长寿命方向发展，对初级电源系统提出了更高的要求[1]。

基于DC-link技术的变换器在实现高功率密度方面取得了较大的发展。10 kW基于能量定量分配策略的变换器在所有条件下能够智能调整开关频率，确保零电流开关，采用了速度较慢的IGBT，在开关频率高达55 kHz条件下能够保持较低的损失，整机效率高达92%。采用强迫风冷，外形尺寸为482 mm×610 mm×254 mm，功率密度为 0.3 W/cm3[2]。30 kW三电平并联谐振电容充电电源采用纳米晶磁芯变压器，最高工作频率为200 kHz，大大高于一般变换器的工作频率。30 kW DC-DC模型功率密度达到8.72 W/cm3，明显高于之前报道的脉冲功率应用的变换器[3]，但如果前级加AC-DC二极管整流器，功率密度迅速将减少，而且功率因数较低。

基于高频AC-link技术变换器较传统的dclink技术具有存储元件体积小、无大容量电解电容器、高可靠性和快动态响应的优点。科学应用国际公司（SAIC）开发了AC-linkTM技术大约10年，专利6118678于2000-09-12发布，此后已成功建成几个军用和商用系统[4,5]。为美国海军设计的20 MW电力船舶推进电机驱动的功率密度5 W/cm3，效率为99%，功率因数可以控制为1，总谐波失真THD（total harmonic distortion）小于1%。普林斯顿大学电元系统（PPS）的30 to 200 HP变速驱动器已经商业化。PPS还开发了风能和太阳能并网逆变器，能够满足UL-1741、IEEE-1547和 IEEE 519-1992的要求。三相AC-AC高频AC-link谐振变换器，采用零电压开关，具有升压和降压以及双向能量流动能力[6]，并实现了接近1的功率因数。

本文提出了一种电容器充电应用的新型高频AC-Link变换器，由6组双向开关和L-C串联谐振实现零电流开关。该电容器充电变换器有以下优点：①所有开关的开通和关掉都工作在零电流开关；②减少了磁性元件的数量，无大容量和低寿命的电解电容，具有高功率密度和高可靠性的特点；③功率因数接近1；④双向能量流动能力。

1 新型高压充电电源

新型高压充电电源的拓扑结构如图1所示，主要由三相输入滤波器、12只绝缘栅双极型晶体管（IGBT）S1-S12组成的矩阵开关、LC串联谐振电路、高频高压变压器和全桥高压整流电路组成。三相输入滤波器由L和C组成的二阶低通滤波器。滤波电容器采用“Y”型结构。矩阵开关中，每两只IGBT反向并联组成一个双向开关，电流可以双向流动；6组双向开关组成全桥整流结构，矩阵开关与串联谐振电路相连，能够实现零电流开关和能量的双向流动。

根据三相输入相电压ua、ub、uc的相对大小关系，将每个输入相电压周期划分为12个区间，每个区间内相电压的极性和大小确定，且保持单调变化。每个输入相电压周期为T1，则每个区间的所占的时间T2为T1/12，如表1所示。表中，Umax为绝对值最大的相电压，Umid为绝对值居中的相电压，Umin为绝对值最小的相电压。

图1 新型高压充电电源拓扑结构Fig.1 Novel high voltage charger topology

表1 输入电压区间Tab.1 Input AC voltage section

定义线电压 VM=|Umax-Umin|和 VN=|Umax-Umid|，定义UN为高线电压，UM为低线电压。考察电压区间I,ua＞0，ub＜0，uc＜0，三相输入相电压满足|ua|≥|ub|≥|uc|，则 VM=|ua-uc|，VN=|ua-ub|。由于串联谐振电路的谐振频率60 kHz远远高于工频50 Hz，且在一个周期内相电压变化极小，分析时可假定加载到谐振回路中端口电压为恒定值。假定负载电容等效到初级的电容远远大于谐振电容，因此在一个谐振周期内，负载电容的电压上升非常小，在分析过程中可将其看成一个直流源[7]，其主要工作波形如图2所示。

t0时刻，驱动a相和c相对应的IGBT S2和S12，线电压VM加载到谐振电路上，回路谐振电感Lr中的电流iLr增加，同时谐振Cr电容和负载电容CL开始充电。

t1时刻，驱动a相和b相对应的IGBT S2和S10，线电压VN加载到谐振电路上，由于|ub|≥|uc|，此时c相的电流被自然换流，a相和b相形成电流回路，电流继续按照串联谐振电流特性变化，直至电流为0，此时谐振电容器电压达到峰值。

t2时刻，驱动a相和b相对应的双向开关中另外2只IGBT S1和S9，电流反向流动，谐振电容器开始放电，电流反向增加。

t3～t4时段，所有的IGBT处于断开状态，回路电流为0，谐振电容器Cr电压为一个稳定值。

t4～t5时段,驱动a相和c相对应的IGBT S5和S7，端口电压-VM加载到谐振电路上，a相和c相形成电流回路，回路谐振电感Lr中的电流iLr反向增加，谐振电容Cr开始放电，负载电容CL继续充电，谐振电容电压VCr开始下降，负载电容的电压Vo继续上升。

t5～t6时段,驱动a相和b相对应的IGBT S3和S7，端口电压-VN加载到谐振电路上，电流继续按照串联谐振电流特性变化直至为0，此时谐振电容器电压达到负的峰值。

t7～t8时段,所有的IGBT处于断开状态，回路电流为零，谐振电容器Cr电压为一个稳定值。

t0～t8形成一个开关周期，其中 t0～t3和 t4～t7分别为谐振周期，谐振电容器上的电压、谐振电流和驱动信号见图2。

图2 主要工作波形Fig.2 Steady-state waveforms

2 控制策略

在t0～t1时段内流出a相和c相的电荷量Q1为

在t1～t2时段内流出a相和b相的电荷量Q2为

在t2～t3时段内流回a相和b相的电荷量Q3为

则在t0～t3谐振周期内，从三相流出的净电荷量Q为从滤波电容器吸取和回收的电荷量之差，即

采用电荷量分配的控制策略，使得从a相和b相流出的电荷量正比于各自相相电压的绝对值，比例系数为k，表示为

换流相位θ为

其中：A＝UM-Vo+U0，B=VN-VM。

换流相位θ随三相电网及输出电压变化的曲线如图3所示。由图可见，随着负载电压的升高和三相电网的变化，换流相位单调增大。

图3 开关相位随电网电压和输出电压的变化关系Fig.3 Switch phase curves of grid voltage with different output voltages

图4 谐振电流周期随电网电压和输出电压的变化关系Fig.4 Resonant current period of grid voltage with different output voltages

谐振电流周期Ts（用相位表示）随三相电网电压及输出电压变化的曲线如图4所示。由图可见，谐振电流周期随着输出电压的升高，先变大后变小；随着电网电压的变化，谐振电流周期也是先变大后变小。

3 仿真结果

在Matlab仿真环境中建立仿真模型，仿真参数分别为：输入三相交流线电压为380 Vac，工作频率 50 Hz；滤波电感 L1～L3为 10 μH，滤波电容 C1～C3为 60 μF，截止频率 fc为 2 kHz；谐振电感 Lr为3.5 μH，谐振电容 Cr为 2 μF，谐振频率 fr为 60 kHz；变压器初级和次级线圈匝比N为1：110；负载电容 CL为 1.1 μF；开关频率 fs为 30 kHz。

三相输入相电压与输入线电流的波形如图5所示，输入线电流谐波含量分析如图6所示。由图可见，随着输出功率的增大，线电流增大，线电流波形平滑，能够较好地跟随相电压，但顶部出现坍塌，且与相电压之间有一定的相移，输入线电流谐波含量小于5.69%。

图5 三相输入相电压与输入线电流波形Fig.5 Waveforms of the input AC phase voltage and input line current

图6 输入线电流谐波含量Fig.6 THD of the input line current

充电初期和末期，开关矩阵的电流is2、is10、is12如图7所示。由图可见，相电压绝对值最大相一直有电流流过，其他两相在工作过程中发生换流；相电压绝对值最小相先工作，然后换流到相电压居中相；换流时间与负载电压和三相交流相电压的相位有关；在相同的相位电压点，换流时间随着负载电压的升高而增加。

图7 充电初期和末期开关矩阵的电流Fig.7 Current waveforms of switch matrix in start and end of charging period

4 实验验证

基于AC-Link技术设计了串联谐振高压充电电源，其输出功率为60 kW，输出电压50 kV，整体尺寸为711 mm×432 mm×311 mm，负载电容CL大小为2 μF。利用泰克P6015A高压无源探头测量负载电容的电压，利用其高压有源探头和电流传感器测量三相交流输入电压、开关电流和谐振电流。负载电压和谐振电流的波形如图8所示。由图可见，电源给2 μF负载电容线性充电，充电结束时，电压为50 kV，充电时间为4 ms，平均充电电流为2.5 A，则电源平均充电速率为62.5 kJ/s。由电源的平均充电速率和体积可以得到电源的功率密度为0.61 W/cm3。

图8 负载电压和谐振电流波形Fig.8 Waveforms of the load voltage and resonant current

图9 换流期间开关换流波形Fig.9 Current waveforms of the switch matrix in the commutation state

充电初期和末期的开关电流is2、is10、is12如图9所示。从图中可以看出，随着充电电压的升高，切换时间从 1 μs增加到 2 μs，电流前半周期从 6 μs增加到7 μs，后半周期由于分布电容的影响变小，此外开关在切换过程中没有出现电流尖峰，为自然软切换，降低了开关的损耗，提高电源的效率。

在电源输出连接阻性负载和连续工作条件下，输入电流和输入电压波形如图10所示。由图可见，输入线电流 ia、ib、ic波形为正弦，ia能够很好地跟随电压ua波形，实现高的功率因数。在工作时间内功率因数测量平均值为0.99。

图10 输入相电压和线电流波形Fig.10 Waveforms of input AC voltage and input line current

使用IDEAL 806电能分析仪测量输入的电能质量，谐波如图 11所示。图11（a）为1～50次电压和电流的谐波分布，电压谐波小于1%，最大值出现在5次谐波处，电流谐波小于10%，最大值出现在7次谐波处。每相电压和电流总谐波含量（THD）如图11（b）所示，电压 THD 分别为 1.2%、1.4%和 1.3%，其对应的电流THD分别为9.5%、9.5%和8.5%。电源输入有功功率为67 kW，输出电压为25 kV，负载电阻为10 kΩ，输出功率为62.5 kW，电源整体效率为93%。

图11 电压谐波分布和输入电流THDFig.11 Voltage harmonic distribution and the THD of input line current

5 结语

本文提出了一种基于AC-Link技术的新型充电电源，分析一个开关周期的8个工作过程，并给出主要的工作波形。采用电荷量分配的控制策略给出了换流相位的表达式，分析了输出电压和电网电压对换流相位的影响，并建立了Matlab仿真模型，对输入线电流、线电流谐波和开关电流进行了仿真模拟和实验验证。实验结果表明：实验与仿真结果能够很好地吻合，电源平均充电速率为62.5 kJ/s，功率密度为0.6 W/cm3；电流波形能够很好地跟随电压波形，实现高的功率因数，每相总的电压谐波含量小于2%，总电流谐波含量小于10%；矩阵开关工作在软开关条件下，且实现软切换过程，能够实现高的效率，在阻性条件下，效率为93%。

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HF AC-Link High Voltage Charging Power Supply

ZHANG Zhengquan,LIU Qingxiang,WANG Qingfeng,LI Wei
（School of Physical Science and Technology,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China）

A new charging power supply based on the AC-Link technology is proposed to realize ZCS in every process.Using the strategy of charge distribution,the influence of grid voltage on commutation phase is analyzed.The input line current,current harmonics and switching current are simulated,and the experimental verification is completed.The experimental results show that the average charging rate is 62.5 kJ/s,a higher power density of 0.60 W/cm3is achieved,and the power factor is 0.99 with the input line current waveforms following the input phase voltage.Total voltage harmonic is below 2%,and total current harmonic is below 10%.High efficiency can be achieved in case of soft switch and natural commution utilized,which is 93%with resistive load.

AC-Link;charge distribution;power factor