一种基于直流母线控制的能馈型的电子负载

邝宇++曾令燎++易其亨

摘 要：针对能馈型电子负载在电磁炉老化中的应用，本文提出一种应用于能量回馈型电子负载直流母线电压控制方法。基于电子负载吸收能量、直流母线电容存储能量和逆变交流输出能量守恒分析，在该分析的基础上得到一个快速的直流母线电压控制器，可以采用更小的直流母线电容，降低系统的体积和成本，最后应用上述方案设计2kW电子负载实验样机。

关键词：电磁炉老化；电子负载；直流母线

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.15.112

1 引言

目前电源和家电等产品在工廠生产过程中，须经老化工序测试合格才能出厂。产品老化测试的方法有多种多样，有用实际使用的负载测试，也有用模拟等效负载来测试。针对能馈型电子负载在电磁炉老化中的应用，本文提出一种应用于能量回馈型电子负载直流母线电压控制方法。本项目源自广东省省级科技计划项目——新一代能量回馈式电磁炉老化测试生产线（ 2015B020238015）。

2 系统电路拓扑结构

为了模拟电磁炉老化测试，可将耦合线圈放置在电磁炉加热面上，通过无线输电的原理把电磁炉的磁场能量耦合到线圈，把能量传递到电子负载的输入，然后回馈到电网，实现能量循环利用。当电子负载把电磁炉作为负载时，其输入端耦合的能量形式为交流电源。因此，该电子负载属于交流电子负载，且具有能量回馈功能。

电子负载主电路采用两级AC/DC/AC变换结构，其功率电路拓扑可分为4部分。图1所示为两级能量回馈电子负载的电路，前级DC/DC变换器采用的是BOOST升压变换器，通过采用适当的控制方式调节流过输入电感L1的电流，从而模拟各种负载特性，考核待测交流电源的动态和稳态特性。直流母线电容作为功率解耦部件，能稳定前级负载模拟器输出的直流电压，并将稳定的直流电压作为逆变模块的输入。逆变模块通过控制流过L4的电流，将前级负载模拟变换器吸收的有功功率通过回馈电网。

3 控制策略

3.1 前级BOOST模块

为了能够实现电磁炉实现无水老化，模拟锅具负载，耦合线圈需平稳的从电磁能获取功率，否则电磁炉将不能正常工作而关机，因此引入BOOST模块对接收的功率进行控制。耦合线圈通过电磁耦合到高频感应电压后，输给D1～D4整流，把几十KHz高频的交流电整流以两倍工频为包络线的馒头波，之后由C1、L1组成的滤波电路把高频去掉，剩下两倍工频的馒头波。整流滤波后输入到由电感L2，二极管D5和MOSFET开关器件Q5组成的 BOOST的升压转换电路。Boost模块输出电压通过后级逆变模块进行稳定，前级只控制输入电流，让其输入电流跟踪在使电磁炉能够正常工作而不关机。

BOOST转换电路的作用输入电容C2两端的电压稳定在参考电压的范围内，通过控制电压来间接控制功率。将能量耦合拾取电路的输出电压与给定的电压参考值进行比较，通过PI算法后，产生占空比控制开关管Q5通断，这样能量耦合电路的输出电压就可以保持在给定的参考电压范围内，达到控制功率目的。

3.2 直流母线电容计算及其纹波分析

为分析简单，假设逆变模块输出功率因数为1，电网电压和逆变输出并网电流可分别表示为

（1）

（2）

则逆变输出功率为

（3）

式中：iac、Iac分别为并网电流的瞬时值和幅值；vac 、Vac分别为电网电压的瞬时值和幅值；w 为电网电压角频率；pac为逆变模块瞬时输出功率。

由式（3）可得出逆变模块的瞬时输出功率中含有两倍电网频率的交流分量，两倍于电网频率的输出功率波动在直流母线电压产生一个同样两倍于电网频率的电压波动。为了简化分析，在理想状态下，无能量损耗，逆变直流侧输入功率等于逆变器输出功率。前级BOOST模块输出功率Pdc为直流无交流分量，功率的解耦只有直流母线电容Cdc承担，否则在前级BOOST模块之前还需要大容量的电容完成前级BOOST模块和耦合线圈输入之间的解耦。图2所示为在一个电网频率周期内的直流母线电压、电网电压、前级BOOST模块输出功率和逆变模块输出功率波形。

通过图2可以看出直流母线电容实际上作为存储能量的介质，当耦合线圈接收到的功率大于逆变的输出功率时，多余的能量因存储在直流母线电容上，引起母线电压上升。从能量守恒的角度分析，在[1/8T，3/8T]时间段内，母线电容释放的能量为

（4）

式中：Vmax为直流母线电压的最大值；Vmin为直流母线电压的最小值。由式（3）、（4）得到

（5）

（6）

式中，Vave为直流母线电压的平均值。

由式（6）可看出，直流母线纹波分量由直流母线电容量、耦合线圈接收功率与并网功率之间的差来决定。因此直流母线电压只需要满足不高于器件设计的安全电压并且不低于逆变模块正常工作输入电压范围的条件下，就可以很大程度地减小直流母线的电容量。

针对功率解耦、降低电容容值的问题，目前已提出一些特殊的电路拓扑及控制方法，主要有有源滤波（APF）法、解耦电路串联法、单级反激逆变器变换法、多级逆变器解耦法、三端口解耦法等。忽略能量损耗，逆变器能量守恒关系可以表示为

（7）

式中：Win为单位时间内耦合线圈输出能量；Wc为单位时间内直流母线电容存储能量；WL为单位时间滤波电感的存储能量；Wac为单位时间逆变器并网输出能量。

要分析逆变器在一个开关周期内的能量守恒情况是困难的。为简单化，通过在半个工频周期内进行能量守恒分析，直流母线电压每半个工频周期采样1次，抽样点同电网电压的过零点一致，并网电流与电网电压同频同相，在半个工频周期内并网电流不变，存储在电感的能量就保持不变，T半个工频周期内的能量守恒公式为endprint

（8）

式中：Pin 为耦合线圈输出功率；Vdc 为当前直流母线电压；为半个工频周期后的直流母线电压；Iref为并网电流的参考值；Tg为电网电压周期。由式（8）得

（9）

式中，fg为电网电压频率。

图3为所提出的预估直流母线电压控制算法框图。

4 实验结果

制作了一台针对电磁炉老化的2 kW能馈型电子负载样机并搭建了实验系统。搭建系统如下，待测电磁炉1台，耦合线圈1个，电子负载1台。

电子负载样机设计参数如下：

并网电压220V/50 Hz，直流侧参考电压Uref= 347 V，输入滤波电感L1=2mH，L2=1.5mH，直流母线电容C3=2200μF，输出滤波电感 L4=1.5mH，L5=1.5mH前级开关频率为100Hz，后级开关频率为20kHz。 图5示出不同负载下的实验波形。

由图可知，设计的电子负载实现了模拟电磁炉老化的负载，使电磁炉工作耦合能量并将能量回馈电网的功能。

5 结 论

经对基于直流母线控制的电子负载研究，提出利用直流母线电压控制将两级变换器解耦控制：前级负载模拟部分采用单周期控制方案，后级能量回馈部分采用引入母线电压预估的电流控制方案。最后通过实验验证了方案的可行性和有效性。

参考文献：

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作者简介：邝宇（1983-），男，硕士研究生，工程师，研究方向：电力电子。endprint