一种低成本变换器装置的设计与应用

范嘉晨 莫胜胜 徐群人 覃伟锋 李振盛

摘 要：设计了一种低成本变换器装置，可解决现有电力电子变压器结构复杂、控制困难、成本高，且无法满足多电源场合下应用需求的技术问题。该装置输入直流电，同时输出直流电和交流电，提供多端口输出;调制使用一个载波、两个调制波，同时调制出50 Hz正弦波和2 000 Hz交流方波;电路结构相对简单，不同于现有电力电子变压器要先将交流电先转化为直流电再经过DC-DC变换器转变为需要的直流电，该装置涉及单元更少，装置可靠性更高，成本更低。

关键词：变换器;低成本;电路结构;控制方法

0 引言

随着社会经济的发展，各种形式的电力需求不断增长，人们对电子设备的要求逐渐提高。柔性直流输电是基于电压源换流器的新一代高压直流输电技术，其中模块化多电平变流器因运行效率高、输出特性好、可拓展性强，已成为当前柔性直流输电系统中换流阀的首选方案[1]。然而对MMC拓扑而言，总损耗的降低并不能保证其可靠性的有效提高，因为损耗在子模块间及子模块内部的分布问题亦有可能对其可靠性造成影响。功率器件的损耗及其热应力是影响变流器可靠性的重要因素，因此如何提高MMC变流器运行的可靠性，是MMC变流器亟待解决的另一难题[2]。现有的多种电力电子变压器拓扑结构一般直接将交流电先转化为直流电，再经过DC-DC变换器转变为需要的直流电，这种方式涉及的元器件多，成本高，控制复杂，可靠性低，难以实现大规模使用。因此，需要设计一种成本低、器件更少的变换器装置。

1 装置结构

如图1所示，本文设计的低成本变换器装置包括直流电压源、中心电压电路、第一调制控制电路、第二调制控制电路、选频电路、降压整流电路、第一输出电路和第二输出电路。电路结构如图2所示。

1.1    直流电压源

直流电压源的两端均与中心电压电路连接，且分别与第一调制控制电路和第二调制控制电路连接，第一调制控制电路与选频电路和降压整流电路连接，第二输出电路与降压整流电路连接，第一输出电路与选频电路连接。

1.2    中心电压电路

中心电压电路包括第一电容C1和第二电容C2，第一电容C1的一端分别与直流电压源的正极和第一调制控制电路连接，第二电容C2的一端分别与直流电压源的负极和第二调制控制电路连接，第一电容C1的另一端和第二电容C2的另一端均接地。

1.3    第一调制控制电路

第一调制控制电路包括第一绝缘栅双极型晶体管Q1、第二绝缘栅双极型晶体管Q2和第五电容C5，第一绝缘栅双极型晶体管Q1的集电极与第五电容C5的一端连接，第二绝缘栅双极型晶体管Q2的发射极与第五电容C5的另一端、选频电路和降压整流电路连接，第一绝缘栅双极型晶体管Q1的发射极和第二绝缘栅双极型晶体管Q2的集电极均与第一电容C1的一端连接，第一绝缘栅双极型晶体管Q1的基极和第二绝缘栅双极型晶体管Q2的基极均与外部控制端连接。

1.4    第二调制控制电路

第二调制控制电路包括第三绝缘栅双极型晶体管Q3、第四绝缘栅双极型晶体管Q4和第六电容C6，第三绝缘栅双极型晶体管Q3的集电极与第六电容C6的一端连接，第四绝缘栅双极型晶体管Q4的一端与第六电容C6的另一端和直流电压源的负极连接，第三绝缘栅双极型晶体管Q3的发射极和第四绝缘栅双极型晶体管Q4的集电极均与降压整流电路连接，第三绝缘栅双极型晶体管Q3的基极和第四絕缘栅双极型晶体管Q4的基极均与外部控制信号连接。

1.5    选频电路

选频电路包括第二电感L2和第四电容C4，第四电容C4的一端与第二电感L2的一端连接并与降压整流电路连接，第二电感L2的另一端与第二输出电路的正极连接，第四电容C4的另一端与第二输出电路的负极连接。

1.6    降压整流电路

降压整流电路包括第三电容C3、第一电感L1、第三电感L3、第四电感L4、第五电感L5、第一二极管D1和第二二极管D2，第三电容C3的一端与第三电感L3的一端和第二绝缘栅双极型晶体管Q2的发射极连接，第三电容C3的另一端经第一电感L1与第一二极管D1的输入端连接，第一二极管D1的输出端与第二二极管D2的输出端和第二电感L2的一端连接，第三电感L3的另一端分别与第五电感L5的一端和第四电感L4的一端连接，第五电感L5的另一端与第二输出电路连接，第四电感L4的另一端与第二二极管D2的输入端和第四电容C4的另一端连接。

2 控制方法

2.1    控制流程

本文设计的低成本变换器装置包括直流电源Udc，将中心电压电路的电容C1、C2与直流电源Udc并联，并通过创造中心连接点，直流电源Udc提供直流电流经第一调制控制电路、第二调制控制电路，分别调制出50 Hz正弦波和2 000 Hz交流方波。其中50 Hz正弦波通过第二输出电路的端口OUT2输出交流电，2 000 Hz交流方波经过降压整流电路降压整流从第一输出电路的端口OUT1输出直流电。

进一步地，与直流电源Udc并联的电容C1、C2，一端连接直流电源Udc，另一端共同接地，创造中心电压Uc，根据以下公式得到本装置中电容C1、C2两端电压大小为直流电源Udc的一半。

式中：n为电容个数。

进一步地，为第一调制控制电路、第二调制控制电路分配两个幅值相等、相位依次相差π的三角载波，将这两个三角载波同时与一个50 Hz正弦调制波和2 000 Hz正弦调制波作比较，比较后分别得到两个PWM脉冲即为第一调制控制电路和第二调制控制电路的触发脉冲，得到第一调制控制电路的电压Upj和第二调制控制电路的电压Unj，将处于投入状态的子模块的输出电压相加即第一调制控制电路的电压Upj和第二调制控制电路的电压Unj，根据（Unj-Upj）/2得到电路总的输出电压波形，即调制出2 000 Hz交流方波和50 Hz正弦波。

使用选频电路对调制出2 000 Hz交流方波和50 Hz正弦波的信号进行选频，让2 000 Hz交流方波进入降压整流电路进行降压整流，50 Hz正弦波不进入降压整流电路而是直接经过滤波输出，设电路所需频率为f0，电路中电容电感大小分别为C和L，根据以下公式可计算出电路中所需电容电感的乘积（C×L）大小，再选用适合电路的电容器件C3和电感器件L1。

2.2    降压整流控制

2 000 Hz交流方波进入降压整流电路进行降压整流，分为两种情况：

（1）当第一调制控制电路输出电压为正，第二调制控制电路输出电压为负时，D2正向导通，D1反向截止，2 000 Hz交流方波流经D2，储能电感L2被充磁，流经电感的电流线性增加，同时给电容C4充电，第一输出电路的端口OUT1输出电压。

（2）当第一调制控制电路输出电压为负，第二调制控制电路输出电压为正时，D2反向截止，防止电流回流，D1正向导通，储能电感L2通过续流二极管放电，电感电流线性减少，第一输出电路的端口OUT1输出电压由储能电感L2和电容C4提供。

3 结语

本文设计的低成本变换器装置输入直流电，同时输出直流电和交流电，提供多端口输出;选用两个调制控制电路与降压整流电路结合，使用一个载波、两个调制波进行调制，同时调制出50 Hz正弦波和2 000 Hz交流方波，电路结构相对简单，不同于现存的电力电子变压器要先将交流电先转化为直流电再经过DC-DC变换器转变为需要的直流电，本装置涉及单元器件更少，装置可靠性更高，成本更低。

[参考文献]

[1] 姚良忠，吴婧，王志冰，等.未来高压直流电网发展形态分析[J].中国电机工程学报，2014，34（34）：6007-6020.

[2] 董玉斐，杨贺雅，李武华，等.MMC中全桥子模块损耗分布优化的调制方法研究[J].中国电机工程学报，2016，36（7）：1900-1907.

收稿日期：2021-01-27

作者简介：范嘉晨（2001—），男，浙江金华人，研究方向：模块化多电平变换器。