一种三电平BOOST-PFC结构的正弦波恒流调光器的技术研究

张可贵，钟 浪，董志强，柳 明，欧阳晖

一种三电平BOOST-PFC结构的正弦波恒流调光器的技术研究

张可贵1，钟 浪1，董志强1，柳 明2，欧阳晖2

（1. 中国核工业二三建设有限公司，北京 101300；2. 武汉第二船舶设计研究所，武汉 430064)

介绍恒流调光技术的发展及趋势，介绍一种新型三电平升压型功率因数校正（BOOST-PFC）结构的正弦波恒流调光技术，并在Matlab/Simulink仿真软件中搭建了该技术调光器主电路。仿真结果表明，相比传统的H桥交-直-交变换型正弦波恒流调光器，本文研究的恒流调光器具有效率高，功率因数高，谐波小，成本低等优点。

正弦波 恒流调光器 交-直-交变换 三电平 BOOST-PFC 助航调光器

0 引言

机场助航灯光系统是在夜间和能见度受限制的情况下为飞机驾驶员提供跑道位置、方向和对正引导，以便驾驶员在目视可达的情况安全着陆[1]。机场助航灯光系统主要包括恒流调光器、高压切换柜、在线绝缘电阻监测模块以及集中监控系统等[2]，本文主要对恒流调光器进行研究。

1 恒流调光技术的发展趋势

目前国内外机场现行使用的恒流调光器还是以传统的晶闸管恒流调光器为主，但根据现在助航系统灯具LED灯的应用[3～4]以及变流器的性能指标分析，新一代的正弦波恒流调光器必将是未来的发展趋势。

从应用对象——助航灯的发展上看，随着节能低碳理念的深入，以及飞行保障对助航灯光系统安全稳定性能的要求，半导体发光二极管(LED)灯具与传统的白炽灯、卤钨灯相比具有寿命长、节能高效、发光颜色多样、体积小、适应环境广以及便于控制等诸多优点，在国内外民航机场助航灯光系统中已得到推广应用，并有逐步取代传统卤钨灯的趋势[5]。鉴于LED的半导体特性，以及对电流谐波的要求，现有的晶闸管调光器是不可行的，唯一的解决办法就是与之匹配的正弦波恒流调光器[6]。

从性能指标上看，晶闸管恒流调光器是基于相控技术的变流装置，其输出中谐波含量很高，致使电网电能质量下降，同时加快了导线老化，并对灯光系统周围的通讯等设备产生干扰，降低了机场系统运行的可靠性[7]。而采用高速开关器件的正弦波恒流调光器输出波形品质好，谐波小，可延长助航灯具光源使用寿命；功率因数高、谐波小，无需专项电网治理；整体效率高，节省成本；噪音低，污染小；智能程度高、可靠性高、维修性好[8]，在性能上有明显优势。

根据最新调查，青岛新机场以及北京大兴国际机场中明确指定调光器使用正弦波调光器，从中可以看到正弦波调光器将逐渐走进市场。

通过上面分析，机场调光器未来将是正弦波恒流调光器的方向，近年来国内外调光器厂家正在积极推进正弦波恒流调光器的研发。其中国外ADB Safegate公司走在前面，其研发的VIS系列、CER系列的正弦波调光器采用了交-直-交拓扑结构，IDM 9000型正弦波调光器采用了交-交斩波结构。在国内最早研发正弦波调光器的厂家西安爱科，其在2009年研制的S1系列正弦波调光器采用了交-交斩波结构。国内调光器市场占比最大的大连电子所（大连宗益）也在2012年研制了自己的正弦波调光器CCR-2100S。

2 现有恒流调光器种类

传统双向晶闸管相控调光器拓扑如图1所示，其优点为结构简单，技术成熟，稳定可靠，缺点为输出波形为移相波形，功率因数低、谐波含量丰富，电流波峰系数大，影响助航灯具寿命，噪声大，电磁干扰严重[9]。正弦波调光器与晶闸管相控调光器相比，在输出电流波形的品质上有明显的优势。

图1 双向晶闸管相控恒流调光器

现有的正弦波调光器主要有三种结构：一种是可控铁磁谐振正弦波调光器，如图2所示；第二种是交-直-交方案，如图3所示；第三种是交-交斩波正弦波调光器，如图4所示。

图2 可控铁磁谐振正弦波恒流调光器

图3 交-直-交拓扑的正弦波恒流调光器

图4 交-交斩波正弦波恒流调光器

在正弦波调光器的几种电路中，可控铁磁谐振正弦波恒流调光器其体积大、噪音高，输出波形质量没有全控型器件IGBT式调光器好，本文重点研究交-直-交和交-交斩波正弦波调光器。

交-直-交和交-交斩波正弦波调光器各有优劣。从性能上分析，采用交-交斩波技术是一种直接将交流变交流的技术，而交-直-交技术有整流和逆变两级变换，因此在功率因数、谐波含量、波形品质以及效率上，交-交斩波技术性能更好。成本上，交-直-交结构使用的开关器件多，且有支撑电容，因此体积大，成本更高；交-交斩波结构硬件结构简单、体积小、成本低。从可靠性上分析，交-交斩波电路没有自然的续流通道，在换流时为了不损坏电路，需通过软件设计专门的续流控制电路[10]，当软件检测失误时将出现不可恢复的问题，影响可靠性；交-直-交电路通过反并二极管和母线电容构成自然续流通路，不需要进行续流控制，可靠性更高。

在工程实际中设备的可靠性是最先考虑的因素，当可靠性满足要求后，再从性能和成本上优化设计。本文从工程实际的角度考虑，对可靠性满足设计要求的交-直-交拓扑的正弦波恒流调光器进一步优化，研究了一种性能更优、成本更低的正弦波恒流调光器。

3 新型正弦波恒流调光器

本文引入了三电平BOOST型PFC电路替换图3中H桥整流电路，研究了一种基于三电平BOOST-PFC的正弦波恒流调光器，其主电路拓扑结构如图5所示。

图5 三电平BOOST-PFC型正弦波恒流调光器

采用三电平BOOST-PFC结构，相比于H桥整流电路，开关器件数量是其一半，对于电力电子设备，开关器件的数量是影响成本和设备效率的直接因素，因此通过该结构即降低了设备的成本，又提高了设备效率。另外采用三电平拓扑，通过两个开关器件同时分担直流母线电压，从而减小了开关器件承受电压的应力[11]，因此在器件选型时，可选择耐压值更低的器件型号；同时三电平结构成倍增大等效开关频率，能够降低磁性元件的大小[12]，进一步节省设备成本。

3.1 电路工作原理

三电平BOOST-PFC型正弦波恒流调光器电路的前级整流电路为三电平BOOST-PFC结构，后级逆变电路为传统的H桥结构。交流输入电压u通过输入LC滤波电路和升压型PFC电路得到稳定的直流电压U，同时PFC电路对输入侧功率因数进行矫正控制，使输入电流i和输入电压u达到同相位[13]，即功率因数为1。H桥逆变电路和输出LC滤波电路将直流电压逆变成交流电压，同时以输出电流有效值为控制目标，通过电流有效值控制，输出恒定的电流。

采用三电平BOOST电路进行功率因数校正时，两个开关器件Q1、Q2的相差保持为180°。随交流输入电压u瞬时值的变化，Q1、Q2的驱动有不同的模式，如图6所示。

图6（a）中，当输入交流电压整流值|i|小于1/2的直流母线电压dc时，1、2的驱动占空比大于0.5。两个开关器件的驱动状态对应的主电路4种模态，如图6（a）中①、②、③、④所示，在这4种模态下电感电压L在|i|和|i|-(dc/2)之间变化。

图6(b)中，当输入交流电压整流值|i|大于1/2的直流母线电压dc时，1、2的驱动占空比小于0.5。两个开关器件的驱动状态对应的主电路4种模态，如图6(b)中①、②、③、④所示，在这4种模态下电感电压L在|i|-(dc/2)和|i|-dc之间变化。

图6 三电平BOOST-PFC电路驱动模态

后级H桥逆变电路的有效工作状态如图7所示。当开关管5和8导通，7和6关断时，直流电流经5，逆变侧LC滤波电路和8，产生正向电流；当开关管7和6导通，5和8关断时，直流电流经7，逆变侧LC滤波电路和6，产生反向电流，可将直流变换成交流。

图7 逆变电路

3.2 控制器设计

1）带均压控制的整流控制设计

图8 整流控制器

在PFC整流电路中，通过直接电流控制方式[14～15]控制升压电感电流i(t)跟踪参考电流i(t)*。假设输入电流i()达到了单位功率因数，且无畸变，则其相位与电压u相位保持一致，且为正弦波，即：

当输入电流经不控整流电路后，变为“馒头”波，则流经升压电感2和开关器件的参考电流i(t)*为：

在整流器的控制策略中，采用电压、电流双闭环控制，其中电压控制环为外环，主要控制直流侧电压稳定且达到给定值dc*；电流控制环为内环，主要控制电感电流达到单位功率因数。在图8控制器中，直流母线电压dc与给定电压dc*作差后得到误差值Δdc，然后经PI控制器得到电感电流L*，L*与输入电压锁相后的信号相乘，并取绝对值后，得到电感参考电流i(t)*。实际电流i(t)与参考电流i(t)*作差后得到误差值Δi(t)，其经过比例放大后，得到调制信号com。1、2交错导通和关断，图8中PWM1和PWM2信号的相角差180°。

本文研究的电路用到了三电平结构，需要控制两个电容电压均衡，因此控制器中还需增加均压控制。分析图5中的PFC整流电路，电容电压变化方向与其对应开关占空比变化方向相反。设计的均压策略为在调制信号com上增加电流调节量Δ，对电压高的电容，对应开关管的调制信号增加调节量Δ，电压低的电容，对应开关管的调制信号减去调节量Δ。在图8控制器中，将两个电容电压U1和U2做差后经过PI控制器得到电流调节Δ，由于Δ为有正负方向的变量，因此Q1的调制波为com+Δ，Q2的调制波为com-Δ，即可实现电容的均压控制。

2）逆变控制设计

图9为逆变控制器的实现框图，其采用电流有效值和电压瞬时值控制的双闭环控制，电流有效值作为控制器的外环，控制输出电流有效值达到给定值I，电压瞬时值控制作为控制器的内环，控制输出电压达到稳定。

图9 逆变控制器

在控制器中，输出电流i通过实时效值计算模块得到电流有效值i， i与给定有效值命令I作差得到误差信号Δi，误差信号Δi经过PI控制器调节后得到输出电压的幅值U*，输出电压的幅值U*与锁相后的信号相乘得到输出电压参考值U*sin。输出电压u(t)跟踪电压参考值U*sin，其与参考值U*sin作差后通过比例积分调节得到调制波com，最后通过单极性调制得到PWM信号作用于开关器件。

4 仿真验证

在Matlab/Simulink仿真软件中搭建如图5所示的三电平BOOST-PFC型正弦波恒流调光器主电路，对上述设计的控制器进行仿真，仿真参数为：调光器的交流输入电压有效值为U=380 V，频率=50 Hz，输出电流有效值恒定oN=6.6 A，输出变压器变比k=12，结果如下。

1）静态仿真

在输出恒流控制模式下，仿真结果分别如图10、图11所示。通道1为输入电压电流波形，通道2为两个直流母线电容电压波形，通道3为直流母线电压波形，通道4为输出电流波形。图11为通过FFT分析的输入输出电流的THD。

图10 静态仿真波形

可以看到，稳定状态下，两个直流母线电容电压均衡，输出电流有效值恒定在6.6 A，恒流精度在0.01 A以内，交流输入电流THD为1.34%，输出电流THD为0.17%。

图11 输入电流ii和输出电流io的THD

2）动态仿真

0～0.1 s对直流电容充电，0.1 s后开始整流，0.3 s后开始逆变，其仿真波形如图12所示。通道1为输入电压电流波形，通道2为两个直流母线电容电压波形，通道3为直流母线电压波形，通道4为输出电流波形。

图12 动态仿真波形

可以看到，直流母线电容电压均衡，直流母线电压最大不超过800 V，在所选开关器件耐压范围内交流输出电流i达到稳定时间为0.8 s。

3）开路限幅仿真

在仿真中运行1 s后突然切除负载，使电路运行在开路状态下，变压器副边最大电压限制在7000 V以内，仿真波形分别如图13所示。

图13 开路限幅仿真波形

可以看到，在开路状态下，经限幅后输出电压能够很好的限制在预定电压范围内，并且直流母线电压最大不超过1000 V。

5 结论

本文将PFC技术应用在交-直-交变换型恒流调光器中，提出了一种新型三电平BOOST-PFC型正弦波恒流调光器，其相对传统的H桥整流型正弦波恒流调光器，具有效率高，功率因数高，谐波小，成本低等优点。本文介绍了该电路的工作原理，研究了其整流侧和逆变侧的控制方式，通过整流器和逆变器的电压、电流双闭环控制实现了整流侧直流母线电压恒压，逆变侧输出电流恒流的控制目标，且达到波形高度正弦，输入功率因数为1。同时在整流控制器中增加均压调节量，从而实现了直流母线电压的均衡。最后本文通过Matlab/ Simulink仿真验证了所设计控制方式的正确性。

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Research on Airfield Light Dimmer Based on a Three Level Boost-PFC and Sinusoidal Constant Current Technology

Zhang Kegui1, Zhong Lang1, Dong Zhiqiang1, Liu ming2, Ouyang Hui2

(1. China Nuclear Industry 23 Construction Co., Ltd., Beijing 101300, China; 2. Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430064, China)

TM46

A

1003-4862（2021）11-0036-05

2021-03-09

张可贵(1969-)，男，工程师。研究方向：自动化和仪控技术研究。E-mail:ouyanghui.hust@foxmail.com