夏烈，胡文斌，徐高晶

（1.中國電力科學研究院，江蘇南京211106；2.南京理工大學自動化學院，江蘇南京210094；3.南京南瑞太陽能科技有限公司，江蘇南京210009）

一種Buck型高頻隔離三電平逆變器

夏烈1，胡文斌2，徐高晶3

（1.中國電力科學研究院，江蘇南京211106；2.南京理工大學自動化學院，江蘇南京210094；3.南京南瑞太陽能科技有限公司，江蘇南京210009）

針對傳統(tǒng)Buck型高頻隔離兩電平逆變器在高壓大功率場合中開關管電壓應力大的不足，研究并設計了一種Buck型高頻隔離三電平逆變器。該Buck型三電平逆變器電路拓撲具有功率開關管電壓應力小，輸出交流電壓波形質(zhì)量好，諧波含量少等特點。在提出逆變器拓撲的基礎上，對其工作原理進行了詳細的敘述，并設計了基于電壓瞬時值反饋的閉環(huán)控制策略。該控制策略可以很快地響應輸入電壓與輸出電壓的變化。最后基于Saber搭建仿真模型仿真驗證拓撲的正確性，并在實驗室制作了一臺1kW的樣機，對理論分析結果進行了實驗驗證，實驗結果驗證了該Buck型高頻隔離三電平逆變器的正確性和實用性。

Buck；高頻隔離；三電平；逆變器

1 引言

在中壓、高壓大容量變頻調(diào)速器和有源電力濾波器大量應用的促使下，多電平逆變技術已成為當前電力電子變換技術中重要的研究熱點而倍受人們關注［1］。半導體技術的發(fā)展也對多電平技術提供技術上的支持［2-3］。

目前國內(nèi)外學者對于多電平逆變器的研究，主要在階梯波合成逆變器［1，4］，對于高頻隔離式多電平逆變器的研究則非常少，且主要局限在直-交-直-交型具有3級功率變換的高頻環(huán)節(jié)逆變器［5］。

本文在傳統(tǒng)Buck型兩電平逆變電路結構基礎上，引入二極管鉗位多電平技術，提出了一種Buck型高頻隔離三電平逆變器。和傳統(tǒng)的兩電平逆變器相比，該Buck型三電平逆變器可以在輸出濾波電感前端獲得三電平電壓波形，提高了輸出電壓波形質(zhì)量，同時減小開關管承受的電壓應力［6-7］。使其能在更高輸入電壓、更大功率的場合使用，具有良好的應用前景。

2 電路結構

Buck高頻隔離三電平逆變器可看作是在傳統(tǒng)Buck逆變器基礎上，在輸入側引入2個電容串聯(lián)于輸入電壓源兩端，以作鉗位電壓源之用。通過控制電路控制不同開關管的通斷，可以在變壓器前端分別獲得Ui，Ui/2，0 3種電平。

該逆變器拓撲如圖1所示，由輸入直流電壓源、輸入分壓電容、Buck型三電平變換單元、高頻隔離式變壓器、周波變換器和輸出負載組成。其中Buck型三電平變換單元由2個橋臂組成，當一個橋臂的功率開關管工作時，另外一個橋臂的功率開關管電壓應力被二極管鉗位在輸入分壓電容的兩端，因此能減小開關管電壓應力，同時2個橋臂輪流工作，確保變壓器不出現(xiàn)磁飽和現(xiàn)象。該電路還具有結構簡單，功率密度高，輸出濾波器體積小，能將輸出直流電源變換成穩(wěn)定優(yōu)質(zhì)的交流電等優(yōu)點。

圖1 Buck型高頻隔離三電平逆變器拓撲圖Fig.1 Buck-mode high frequency isolation three-level inverter topology

3 控制策略

Buck型高頻隔離三電平逆變器采用基于電壓瞬時值反饋控制的SPWM方案［5-7］，該控制原理如圖2所示。將Buck型三電平逆變器輸出的正弦交流電壓Uo的采樣信號Uof與基準正弦信號Ur（和電網(wǎng)電壓同步）相比較，并經(jīng)過誤差放大器后便能得到誤差放大信號Ue，將該誤差放大信號通過絕對值電路后，分別與鋸齒波Sw1，Sw2相比較，得到SPWM信號Uhf1，Uhf2，將SPWM信號Uhf1通過D觸發(fā)器二分頻后與輸入電壓極性信號Usy，SPWM信號Uhf1及Uhf2通過一系列邏輯門電路后便能得到各開關管驅(qū)動信號，再通過驅(qū)動電路使得開關管工作。

圖2 電壓瞬時值反饋控制Fig.2 Voltage instantaneous value feedback control

4 工作模式及穩(wěn)態(tài)分析

4.1 工作模態(tài)

在分析原理前，作以下假設：

1）電路中所有元器件均是理想器件，并且電源內(nèi)阻為零；

2）選取同樣規(guī)格參數(shù)的C1，C2，且C1=C2。

當負載為阻性負載時，在一個輸出周期內(nèi)，開關管有12個工作模態(tài)，在輸出電壓正半周期與負半周期相比，僅僅是全波式周波變換器2個4象限功率開關管的工作模式相互調(diào)換。因此簡化分析輸出正半周期內(nèi)開關管6種工作模態(tài)，如圖3所示。

圖3a所示的工作模式A，開關管S1，S4，S5開通，其余斷開，原邊電流iN1經(jīng)S1，S4流通，濾波電感電流iLf流經(jīng)S5和二極管D8，給負載供電，同時給濾波電容充電，此時變壓器副邊電流不斷增加。由此可得輸出濾波電感前端電壓關系式：UAB=(N3/N1)Ui。

圖3b所示的工作模式B，開關管S4，S7開通，其余斷開，原邊電流iN1經(jīng)D5，S4流通，濾波電感電流iLf流經(jīng)S5和二極管D8，此時變壓器副邊電流繼續(xù)增加。由此可得輸出濾波電感前端電壓關系式：UAB=(N3/2N1)Ui。

圖3 工作模式圖Fig.3 Work mode

圖3c所示的工作模式C，開關管S5，S8開通，其余斷開，濾波電感電流iLf經(jīng)S5，二極管D8，S8和二極管續(xù)流，但是流經(jīng)S5、二極管D8的電流會逐漸減小，而流經(jīng)S8、二極管D9的電流則逐漸增大，從而實現(xiàn)了電流在2個雙向開關管之間的換流。該模式下高頻隔離變壓器原邊繞組側輸出電壓UN1和UN2都為0，通過分析工作原理可以得到輸出濾波電感前端電壓UAB=0，這樣可以防止周波變換器在換流重疊期間發(fā)生電流環(huán)流現(xiàn)象［7］。工作模式F與圖3c的工作模式C相似，僅是電流流向不同，因此不再贅述。

圖3d所示的工作模式D，開關管S3，S2，S7開通，其余截止，原邊電流iN1流經(jīng)S3，S2，濾波電感電流iLf經(jīng)S7和二極管D10流通，此時流經(jīng)變壓器副邊的電流逐漸增大。由此可得輸出濾波電感前端電壓關系式：UAB=(N3/N1)Ui。

圖3e所示的工作模式E，開關管S3，S7開通其余截止，原邊電流iN1流經(jīng)S3和二極管D6，濾波電感電流iLf流經(jīng)S7和二極管D10，此時變壓器副邊電流繼續(xù)增加。由此可得輸出濾波電感前端電壓關系式：UAB=(N3/2N1)Ui。

4.2 逆變器穩(wěn)態(tài)外特性

圖4為輸出的濾波電感電流iLf分別工作在臨界CCM和DCM時一個高頻開關周期內(nèi)的電流波形。

圖4DCM模式和臨界CCM模式時一個高頻開關周期內(nèi)iLf波形Fig.4 Filter inductive current waveforms in critically DCM and CCM during one switching period

由推導可得出變換器狀態(tài)變量的穩(wěn)態(tài)值：

理想情形（變壓器繞組等效電路為0，忽略開關管電壓降），且輸出濾波電感電流連續(xù)時逆變器外特性為

令臨界連續(xù)時的負載電流為IG，由面積等效原理可得：

簡化分析，令D=2D1，得：

考慮到變換器工作時能滿足磁復位的條件有D≤0.5，所以當D=0.5時，IG取得最大值，即

故理想情形且濾波電感電流臨界連續(xù)時逆變器的外特性為

令理想情形且濾波電感電流斷續(xù)時的負載電流為Io，由面積等效原理可得此時變換器外特性為

通過上述分析可得，Buck型三電平逆變器的標幺外特性關系為

圖5中曲線A為濾波電感電流臨界連續(xù)時外特性曲線，由式（7）決定；曲線A右邊為濾波電感電流連續(xù)時外特性曲線，實線為理想情形時曲線，由式（3）決定?？梢钥闯霎斪儞Q器工作在理想CCM模式時，輸出電壓的大小與輸出電流大小無關，有類電壓源特性。虛線為實際情形時曲線，由式（1）決定，可見隨著負載電流的逐漸增加，輸出電壓逐漸減??；曲線A左邊為濾波電感電流斷續(xù)時外特性曲線，由式（8）決定，當變換器工作于DCM模式時，變換器存在很高的非線性內(nèi)阻，有類電流源特性。

圖5 變換器標幺化的輸出特性Fig.5 Normalized output characteristics of the inverter

4.3 與傳統(tǒng)Buck型逆變器比較

假定滿足以下條件：輸入輸出電壓值相等、輸出濾波電感電流脈動頻率及脈動幅值相等、高頻隔離變壓器匝比相等、輸出電容兩端電壓紋波相等。

傳統(tǒng)Buck型逆變器從輸入側看，功率開關管的電壓應力為(1+N2/N1)Ui［5，8］，而Buck型高頻隔離三電平逆變器功率開關管S1，S4所承受電壓應力只有1/2Ui，功率開關管S2，S3電壓應力為(1/2+N2/N1)Ui?？梢钥闯鲭m然開關管數(shù)量增加了，但是每只開關管的電壓應力低，且1/2Ui+(1/2+N2/N1)Ui=(1+N2/N1)Ui，達到了用2只承受電壓應力較小的開關管取代1只承受電壓應力較大的開關管的作用，這在高壓輸入的逆變場合具有良好的運用前景。

5 仿真分析及實驗驗證

5.1 仿真分析

在理論分析的基礎上，基于Saber搭建Buck型高頻隔離三電平逆變器的模型進行仿真驗證。仿真參數(shù)：Ui=200 V，S=1kV·A，開關頻率為50 kHz，N1:N2:N3:N4=6:6:31:31，所有主功率開關管的占空比D均小于或等于0.5，Lf= 220μH，Cf=40μF，RL=48Ω。仿真結果見圖6。

圖6 仿真結果Fig.6 Simulation results

通過Saber仿真分析及實驗結果可以得出以下3個結論。

1）輸出電壓波形質(zhì)量好，紋波諧波電壓比較小，通過傅里葉級數(shù)分析得出其ΤHD=1.366%。從仿真結果可以看出輸出電壓主要為基波分量，存在少量的諧波。

2）輸出濾波器的前端可以獲得3個電平，減小了功率開關管的電壓應力，主功率開關管應力減小了Ui/2。

3）從仿真分析與理論分析的一致性可以證明該拓撲的正確性和實用性。該逆變器拓撲簡潔，具有雙向功率流，輸出濾波器體積較傳統(tǒng)Buck逆變器更小，適合應用于更高電壓、更大功率的場合。

5.2 實驗驗證

在實驗驗證拓撲正確性的基礎上，在實驗室環(huán)境下制作了一臺1kW的樣機，進行實驗驗證。樣機參數(shù)：變壓器選取LP3材料的磁芯PM74，兩原繞組和兩副邊繞組分別為6匝、6匝、31匝和 31匝，功率開關管 S1，S4選用FQA40N25，功率開關管S2，S3選用IRFP460，輸出全波式周波變換器部分功率開關管均選用C2M0080120D。

以輸出電阻性負載為例，樣機實驗結果如圖7所示。

圖7 實驗波形Fig.7 Experimental waveforms

從實驗結果可以看出，Buck型三電平逆變器輸出220 V交流標準正弦波，電壓紋波和電流紋波都很小，開關管電壓應力及濾波器的前端電壓均滿足理論及仿真分析。從實驗結果中可以看出功率開關管電壓應力得以減小，設計目標得以實現(xiàn)。

6 結論

本文提出并研究了一種Buck型高頻隔離三電平逆變器，并對所提出拓撲的工作原理、變換器外特性進行了分析，在理論基礎上設計了基于電壓瞬時反饋控制的SPWM控制策略。

基于Saber仿真分析和樣機實驗結果均體現(xiàn)了該逆變器可以獲得質(zhì)量良好的輸出交流電壓波形，且其動態(tài)響應速度快，負載的適應強，輸出電壓波形中諧波含量很少。

在輸入與輸出都相同的情況下，該Buck型三電平逆變器開關管電壓應力比傳統(tǒng)Buck型逆變器小，且一個橋臂上2只功率開關管所承受的電壓應力之和與傳統(tǒng)一只功率開關管所承受電壓應力大小相同，因此拓寬了開關管選取范圍，在更高輸入電壓、更大功率的場合具有良好的應用前景。

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Buck-mode High Frequency Isolation Three-level Inverter

XIA Lie1，HU Wen-bin2，XU Gao-jing3
（1.China Electric Power Research Institute，Nanjing 211106，Jiangsu，China；2.School of Automation，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，Jiangsu，China；3.Nanjing Nari Solar Energy Technology Co.，Ltd.，Nanjing 210009，Jiangsu，China）

In order to solve the problems that high voltage stress existed in traditional Buck high frequency isolated two-level inverter in the field of high power a kind of Buck high frequency isolated three-level inverter was designed.The topology of inverter has advantages such as low voltage stresses，high wave quality of output voltage and little harmonic wave.The working principle of inverter and control policy which is based on the feedback of voltage instantaneous value were also investigated.The control policy can respond fast to the change of input and output voltage.Finally a simulation model which is based on saber was set up to prove the correctness of topology.A model machine of 1kW was made in laboratory to prove the theoretical analysis.The results prove the correctness and practicality of Buck high frequency isolated three-level inverter.

Buck；high frequency isolation；three-level；inverter

TM46

A

2014-04-16

修改稿日期：2014-05-28

夏烈（1983-），男，碩士研究生，工程師，Email：xialie@epri.sgcc.com.cn