三相Buck型三电平AC/AC变换器

叶欣+张友军+张凯+范卫平

摘 要： 提出三相Buck型三电平AC/AC变换器的电路拓扑结构，研究其电路工作原理，并给出控制策略以实现输出电压和飞跨电容电压的联合控制。相比于两电平变换器，三相Buck型三电平AC/AC变换器的开关管数量加倍，并增加了3个飞跨电容，但各开关管的电压应力均降低为原来的[12]，故适用于高输入电压大功率应用场合。仿真结果证明了三相Buck型三电平AC/AC变换器及其控制策略的可行性和理论分析的准确性。

关键词： 三电平； AC/AC变换器； 三相Buck型； 拓扑结构； 电压应力； 飞跨电容

中图分类号： TN431.1?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）04?0134?05

Abstract： The circuit topological structure of three?phase Buck type three?level AC/AC converter is proposed. The operating principle of the circuit is studied. The control strategy is given to realize combination control of the output voltage and the voltage of flying capacitor. In comparison with the two?level converter， the number of switching tubes of the three?phase Buck type three?level AC/AC converter is doubled and three flying capacitors are added while the voltage stress of each switching tube is half reduced. As a result， the converter can be applied in the high input voltage and high power occasions. The simulation results demonstrate the feasibility of three?phase Buck type three?level AC/AC converter and its control strategy， as well as the correctness of theoretical analysis.

Keywords： three?level； AC/AC converter； three?phase Buck type； topological structure； voltage stress； flying capacitor

三电平（Three?Level，TL）AC/AC变换器通过增加开关管数量，构造出中间电平，使得变换器各开关管的电压应力降低为原来的[12]，因此可应用于高压大功率场合，并可用较多的电平数去逼近希望的输出波形，从而能够大大地改善输出波形质量，降低变换器的开关频率和开关损耗，减小滤波器的体积，提高变换器的效率[1?8]。目前三相三电平AC/AC变换器的研究较少，更多集中在三相整流和三相逆变电路。文献[9]研究三相三电平PWM整流器，不仅降低了开关管电压应力，还提高了整流器功率因数，并抑制电流谐波；文献[10]研究二极管箝位型三电平逆变器，实现三电平逆变器输出高质量的电压波形。本文提出三相Buck型三电平AC/AC变换器的拓扑结构，并分析其电路工作原理，给出相应控制策略，最后通过仿真验证其可行性和理论分析的正确性。

1 电路拓扑结构

本文提出的三相Buck型三电平AC/AC变换器电路拓扑结构如图1所示。其中S1，[S′1]和S4，[S′4]（A组开关管），S2，[S′2]和S5，[S′5]（B组开关管），S3，[S′3]和S6，[S′6]（C组开关管）为三组功率开关管，高频通断时S1，[S′1]，S2，[S′2]和S3，[S′3]的占空比为D，S4，[S′4]，S5，[S′5]和S6，[S′6]的占空比为1-D。比较三相输入相电压uia，uib，uic的大小，当其中某相输入相电压最小时，该组开关管保持导通，其他两组开关管则高频通断，即每组开关管在各自[13]个基波周期里常通，而在另外[23]个基波周期内高频互补导通。

2 工作原理

根据三相輸入相电压，三相Buck型三电平AC/AC变换器存在如下三种工作情况：A相最小；B相最小；C相最小。各开关管通断状态如图2所示。

当开关管占空比D>0.5和D<0.5，变换器的工作状态有所不同，本文以B相电压最小（此时B组开关管常通）为例，对变换器的工作状态加以分析。

2.1 D>0.5时

当D>0.5时，A相对应4个开关管驱动电压波形展开，如图3所示。在一个开关周期里，变换器存在4种开关模态，如图4所示。变换器工作过程描述如下：

1） 开关模态1：[t0，t1]。t0时刻，开关管S1，[S′1]，S3，[S′3]导通，S4，[S′4]，S6，[S′6]关断，如图4a）所示。飞跨电容电压uCy1，uCy3保持不变。此时S4和[S′4]的电压应力为[uiab2]，S6和[S′6]的电压应力为[uicb2]，其余各管电压应力为0。

2） 开关模态2：[t1，t2]。t1时刻，开关管S1，[S′4]，S3，[S′6]导通，[S′1]，[S′3]，S4，S6关断，如图4b）所示。飞跨电容充放电（其充电或放电由电容的电流方向决定，下同），此时[S′1]和S4的电压应力为[uiab2]，[S′3]和S6的电压应力为[uicb2]，其余各管电压应力为0。endprint

3） 开关模态3：[t2，t3]。t2时刻，开关管S1，[S′1]，S3，[S′3]导通，S4，[S′4]，S6，[S′6]关断，其工作过程同模态1。

4） 开关模态4：[t3，t4]。t3时刻，开关管[S′1]，S4，[S′3]，S6导通，S1，[S′4]，S3，[S′6]关断，如图4c）所示。其工作过程同模态2类似，区别在于，S1和[S′4]的电压应力为[uiab2]，S3和[S′6]的电压应力为[uicb2]，其余各管电压应力为0。

2.2 D<0.5时

当D<0.5时，A相对应四个开关管驱动电压波形展开，如图5所示。

由图5可知在一个开关周期里，变换器存在4种开关模态。

1） 開关模态1：[t0，t1]。开关管S1，[S′4]，S3，[S′6]导通，[S′1]，S4，[S′3]，S6关断；

2） 开关模态2：[t1，t2]。开关管S4，[S′4]，S6，[S′6]导通，S1，S1，S3，[S′3]关断；

3） 开关模态3：[t2，t3]。开关管[S′1]，S4，[S′3]，S6导通，S1，[S′4]，S3，[S′6]关断；

4） 开关模态4：[t3，t4]。开关管S4，[S′4]，S6，[S′6]导通，S1，[S′1]，S3，[S′3]关断。其中模态1和模态3分别与D>0.5时的模态2和模态4相同，在此不再赘述。

当开关管S4，[S′4]，S6，[S′6]导通，S1，[S′1]，S3，[S′3]关断，如图6所示。飞跨电容电压uCy1，uCy3保持不变。此时S1和[S′1]的电压应力为[uiab2]，S3和[S′3]的电压应力为[uicb2]，其余各管电压应力为0。

3 控制策略

若不对飞跨电容两端电压进行控制，会导致三相Buck型三电平AC/AC变换器各开关管电压应力严重不均等。为此，本文对输出电压和飞跨电容电压进行联合控制，其控制策略（仅以A相为例）如图7所示。

输出电压反馈信号uoab_f和输出电压基准信号uoab_ref比较后，经输出电压PI调节器得到误差放大信号ue_o；飞跨电容电压反馈信号uc1_f和飞跨电容电压基准信号uc1_ref比较后，经飞跨电容电压PI调节器得到误差放大信号ue_c；ue_o和ue_c分别乘以权重K1和K2后相加，再经载波uc_1调制后得到高频PWM信号uPa1，同时ue_o和ue_c分别乘以权重K1和K2后相减，再经载波uc_2（与uc_1相差180°相角）调制后得到高频PWM信号uPa2；三相电压两两比较后得到A相最小相位信号uPa；uPa1，uPa2分别反向得到uNa1，uNa2；最后，uPa1，uNa1，uPa2，uNa2与A相电压最小信号uPa相互逻辑与后得到开关管S1，S4，[S′1]，[S′4]的控制信号[KS1，KS4，KS′1，KS′4]。

4 仿真结果

利用Saber软件，对三相Buck型三电平AC/AC变换器进行原理仿真。仿真参数如下：输入线电压幅值为380 V，即输入相电压幅值为220 V，Cflyi=3.3 μF，Lfi=1.5 mH，Cfi=10 μF（i=1，2，3）；开关频率为50 kHz。

图8为输出线电压幅值为250 V，占空比大于0.5的仿真波形。图9为输出线电压幅值为150 V，占空比小于0.5的仿真波形。

由图8和图9可以看出，当占空比D>0.5或D<0.5时，飞跨电容电压都跟随其所在相及另外两相之间线电压的[12]和零电压三者之间的最大值，变换器的开关管电压应力为输入线电压幅值的[12]。

5 结 语

本文提出了一种新颖的电路拓扑：三相Buck型三电平AC/AC变换器。详细分析了三相Buck型三电平AC/AC变换器的工作原理，并给出相应的控制策略以实现输出电压和飞跨电容电压的联合控制。当其中一相相电压最小时，其对应开关管常通，另外两相对应开关管高频斩波。飞跨电容的电压按一定的控制规律变化。整个控制策略简单，易于实现。相对于三相Buck型两电平AC/AC变换器，三相Buck型三电平AC/AC变换器的开关管电压应力减为输入线电压的[12]。

参考文献

[1] 陈可.脉宽调制三电平AC/AC变换器的研究[D].苏州：苏州大学，2016.

CHEN Ke. Research on PWM three?level AC/AC converter [D]. Suzhou： Soochow University， 2016.

[2] 王付胜，田龙祥，徐佳益，等.一种高效软开关三电平逆变器研究[J].电力电子技术，2016，50（10）：1?4.

WANG Fusheng， TIAN Longxiang， XU Jiayi， et al. Study of a novel high efficiency soft switching three?level inverter [J]. Power electronics， 2016， 50（10）： 1?4.

[3] 贾宇向，李润娟，刘涛.基于SPWM的Z源T型三电平逆变器中点平衡和升压控制[J].现代电子技术，2016，39（21）：153?158.

JIA Yuxiang， LI Runjuan， LIU Tao. Neutral point balance and boost control of Z?source T?type three?level inverter based on SPWM [J]. Modern electronics technique， 2016， 39（21）： 153?158.endprint

[4] 石勇，杨旭，王兆安.新型三电平PWM交流斩波器[J].电工技术学报，2003，18（6）：7?11.

SHI Yong， YANG Xu， WANG Zhaoan. A novel three?level PWM AC chopper [J]. Transactions of China electrotechnical society， 2003， 18（6）： 7?11.

[5] 石勇，杨旭，王兆安.三电平交流斩波电路及其浮动电容电压控制策略的研究[J].西安交通大学学报，2003，37（12）：1276?1279.

SHI Yong， YANG Xu， WANG Zhaoan. Research on a novel three?level AC chopper and voltage controlling method of the flying?capacitor [J]. Journal of Xian Jiaotong University， 2003， 37（12）： 1276?1279.

[6] 王立乔，刘青.时钟交错定频积分控制的三电平交流斩波器[J].电机与控制学报，2010，14（3）：51?56.

WANG Liqiao， LIU Qing. Clock?interleaved constant frequency integration controlled three?level AC chopper [J]. Electric machines and control， 2010， 14（3）： 51?56.

[7] 杨君东，李磊.Buck?Boost式三电平单级AC/AC变换器[J].电工技术学报，2010，25（2）：107?113.

YANG Jundong， LI Lei. A Buck?Boost mode three?level single?stage AC/AC converter [J]. Transactions of China electrotechnical society， 2010， 25（2）： 107?113.

[8] 韦徵，李磊.正激式交?交型三电平AC/AC变换器[J].电工技术学报，2009，24（12）：109?116.

WEI Zheng， LI Lei. Forward?mode three?level AC/AC converter [J]. Transactions of China electrotechnical society， 2009， 24（12）： 109?116.

[9] 景巍，谭国俊，赵张飞，等.三电平PWM 整流器的研究[J].电力电子技术，2010，44（10）：22?24.

JING Wei， TAN Guojun， ZHAO Zhangfei， et al. The study of three?level PWM rectifier [J]. Power electronics， 2010， 44（10）： 22?24.

[10] 林磊，邹云屏，钟和清，等.二极管箝位型三电平逆变器控制系统研究[J].中国电机工程学报，2005，25（15）：33?39.

LIN Lei， ZOU Yunping， ZHONG Heqing， et al. Study of conrol system of diode?clampped three?level inverter [J]. Proceedings of the CSEE， 2005， 25（15）： 33?39.endprint