李春杰黃文新李 朋樊長(zhǎng)鑫

（1. 南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院 南京 211106 2. 中國(guó)人民解放軍94672部隊(duì) 南京 211100）

一種基于磁組合式變壓器的AC-DC高頻變換器

李春杰1黃文新1李 朋2樊長(zhǎng)鑫1

（1. 南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院 南京 211106 2. 中國(guó)人民解放軍94672部隊(duì) 南京 211100）

為了提高大功率開(kāi)關(guān)電源的功率因數(shù)和可靠性，提出了一種基于磁組合式變壓器的AC-DC變換器。該結(jié)構(gòu)的變換器是將三個(gè)耦合變壓器磁心中產(chǎn)生的磁通疊加輸出，而非電的形式輸出。根據(jù)三相電路瞬時(shí)功率平衡原理，利用三相互差120°的交流電的特性，使該變換器的直流環(huán)節(jié)的濾波電容采用了薄膜電容，而非電解電容，使電網(wǎng)側(cè)的輸入電流正弦化，實(shí)現(xiàn)自然PFC功能，從而提高了功率因數(shù)和功率密度。仿真和一臺(tái)1kW的原理實(shí)驗(yàn)樣機(jī)驗(yàn)證了理論分析的正確性及變換器的可行性。

磁通疊加 磁組合式變壓器 薄膜電容 自然PFC

0 引言

電力電子技術(shù)的發(fā)展帶動(dòng)了電源技術(shù)的發(fā)展，通信、電子檢測(cè)設(shè)備電源、軍事裝備、交通設(shè)施和工業(yè)設(shè)備等領(lǐng)域都已廣泛使用了開(kāi)關(guān)電源，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。探索具有高可靠性、高功率因數(shù)和高功率密度的新型開(kāi)關(guān)電源技術(shù)具有重要意義。

在充電站、服務(wù)器電源等應(yīng)用場(chǎng)合的 AC-DC變換器，由于整流二極管的非線性和濾波電容的儲(chǔ)能作用，造成輸入電流畸變，嚴(yán)重污染電網(wǎng)。目前，各國(guó)都很重視這點(diǎn)，并陸續(xù)出臺(tái)相關(guān)法規(guī)，對(duì)進(jìn)入電網(wǎng)的設(shè)備，嚴(yán)格規(guī)定其輸入功率因數(shù)和電流諧波分量。為了改善功率因數(shù)，引入了PFC技術(shù)。一種實(shí)施方法就是在交流電網(wǎng)輸入經(jīng)二極管整流之后，先不接大容量的濾波電容，而是插入一個(gè)Boost型開(kāi)關(guān)變換器，該變換器使輸入電流平均值能自動(dòng)跟隨全波整流電壓基準(zhǔn)，并維持直流輸出電壓穩(wěn)定。同時(shí)使輸入電流、電壓波形均為正弦低頻波形，且相位相同，從而抑制了嚴(yán)重的諧波干擾。另一種就是PWM 整流器[1,2]，它具有簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)和較高的功率因數(shù)，但是輸入、輸出級(jí)無(wú)電氣隔離。這兩種方法可使功率因數(shù)升到0.99左右，甚至接近1。但是，給電器設(shè)備帶來(lái)了附加成本及復(fù)雜的控制，第一種PFC電路的插入使系統(tǒng)效率有所下降。為了提高效率，簡(jiǎn)化控制，單級(jí)PFC電路被提出。對(duì)于開(kāi)關(guān)電源來(lái)說(shuō)，除了提高功率因數(shù)外，可靠性和壽命也是主要考慮的因素。從開(kāi)關(guān)電源可靠性角度分析可知，電解電容的使用壽命和主要元器件的電壓應(yīng)力影響開(kāi)關(guān)電源的可靠性。

在中大功率應(yīng)用場(chǎng)合，為了解決電壓、電流應(yīng)力，文獻(xiàn)[3]采用了多模塊級(jí)聯(lián)的方式，但是該結(jié)構(gòu)存在均壓、均流的問(wèn)題，控制方法復(fù)雜，并且含有成本較高、體積較大的電解電容。為了提高開(kāi)關(guān)電源的可靠性、功率因數(shù)和功率密度，文獻(xiàn)[4-6]提出了一種模塊化的三相 AC-DC高頻變換器，它適用于低壓、中功率場(chǎng)合，該變換器在不控整流電路后面加入了Cuk、Sepic等斬波電路，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)易于實(shí)現(xiàn)自然PFC功能。為了簡(jiǎn)化兩級(jí)復(fù)雜的控制以及提高功率密度，文獻(xiàn)[4,7,8]能夠?qū)崿F(xiàn)單級(jí)PFC功能，以上的高頻變換器都是將不同的源以電能量的形式相結(jié)合輸出。文獻(xiàn)[5]提出了一種三相組合式的AC-DC變換器，它采用了三個(gè)獨(dú)立的高頻變壓器，而三個(gè)高頻變壓器二次繞組直接串聯(lián)再整流輸出的結(jié)構(gòu)形式。

本文針對(duì)中大功率 AC-DC變換器應(yīng)用場(chǎng)合提出了一種基于磁組合式變壓器且具有單級(jí)PFC功能的 AC-DC變換器。它與文獻(xiàn)[5]的最大區(qū)別，就是本文采用了三個(gè)一次繞組單輸出的磁組合變壓器。該變換器采用了以磁能量的形式疊加輸出；該變換器根據(jù)三相電路瞬時(shí)功率平衡原理，利用其三相交流電互差120°的特性，減小了濾波電容的容值，使用薄膜電容，省去了電解電容，提高了變換器的可靠性、功率因數(shù)和功率密度；該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)降低了主要開(kāi)關(guān)器件的電壓應(yīng)力，可以實(shí)現(xiàn)自然PFC功能。

1 基于磁組合式變壓器的AC-DC高頻變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和原理分析

1.1AC-DC高頻變換器的結(jié)構(gòu)

基于磁組合式變壓器的三相 AC-DC高頻變換器結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括三個(gè)完全相同的單相輸入功率變換模塊（LC濾波電路、二極管不可控整流電路和高頻逆變器）、一個(gè)三相組合式高頻變壓器和一個(gè)不可控整流濾波電路，其中，三個(gè)單相輸入電源為互差120°的三相交流電，接線方式較靈活，既可以是星形聯(lián)結(jié)，也可以是三角形聯(lián)結(jié)。根據(jù)三相電路整體功率平衡的原理，利用互差120°的特性，可以降低每個(gè)單相整流電路的濾波電容值，采用薄膜電容，而非電解電容，實(shí)現(xiàn)自然PFC功能。三相組合式高頻變壓器的三路一次繞組分別連接三個(gè)完全相同的變換器模塊，而二次繞組與輸出的整流電路相連，輸出恒定的電壓。

圖1　基于磁組合式變壓器的AC-DC變換器Fig.1 AC-DC converter based on magneticcombination transformer

1.2輸入側(cè)的不可控整流電路

設(shè)輸入三相幅值相等，互差120°的交流電的線電壓為

式中，mU三相交流電的線電壓峰值。經(jīng)不可控整流濾波電路得到

不可控整流橋輸出側(cè)并聯(lián)了薄膜電容，使得直流母線上的電壓為式（2）所示的脈動(dòng)直流電壓，波形為饅頭波。只有當(dāng)直流母線電流和直流母線電壓波形相同時(shí)，才能使電網(wǎng)輸入電流為正弦波，實(shí)現(xiàn)自然PFC功能。只要對(duì)全橋逆變器進(jìn)行SPWM調(diào)制，則直流母線電流基波可表示為

1.3全橋逆變電路

通過(guò)SPWM調(diào)制，在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，導(dǎo)通時(shí)間為T(mén)s/2時(shí)，高頻逆變器輸出電壓為

式中，m為調(diào)制系數(shù)，01m≤≤ ；square(t)為方波函數(shù)，其峰-峰值為2，頻率為開(kāi)關(guān)頻率fs。

假設(shè)逆變器輸出電壓與電流的相位差很小，可以忽略不計(jì)，則逆變器輸出電流為

在不考慮損耗情況下，根據(jù)變換器輸入功率等于輸出功率[2]，可得出直流母線電流表達(dá)式如式（3）所示。

1.4磁組合變壓器的結(jié)構(gòu)和原理分析

三相組合式高頻變壓器制作結(jié)構(gòu)剖面如圖2所示。三相組合式高頻變壓器的三路一次繞組繞制在相互獨(dú)立的三組完全相同的 EE型磁心的中柱上，每個(gè)磁心中磁通脈動(dòng)的大小取決于各相波動(dòng)的整流輸入電壓，而二次繞組匝鏈三組磁心的中柱，二次側(cè)輸出電壓由二次繞組匝鏈三相組合式高頻變壓器的三個(gè)磁心磁通感應(yīng)輸出，三個(gè)磁通疊加后峰谷相抵，從而達(dá)到了減小輸出電壓脈動(dòng)的目的。

圖2　磁組合變壓器的結(jié)構(gòu)剖面圖Fig.2 Cross-section of magnetic-combination transformer

忽略繞組漏感，由圖2所示的結(jié)構(gòu)圖可得出磁組合變壓器A相繞組等效磁路模型，如圖3所示。B、C相等效磁路模型與A相類(lèi)似。其中為一組EE型磁心的兩個(gè)邊柱合并成一路的磁阻為一組EE型磁心的中柱上的磁阻和分別為一次繞組電流和在磁心中產(chǎn)生的主磁通；φ為總磁通和為一次繞組A、B和C的匝數(shù)。

圖3　一路簡(jiǎn)化的等效磁路Fig.3 Simplified equivalent magnetic model

根據(jù)安培環(huán)路定律， 磁組合變壓器的磁路表達(dá)式為[9]

根據(jù)電磁感應(yīng)原理，由式（4）可知不含有直流分量的逆變器輸出電壓，可得其中一相磁通的表達(dá)式為

由式（7）可以看出，磁組合變壓器的主磁通是按照正弦規(guī)律變化的。所以，磁組合變壓器一次側(cè)的三個(gè)主磁通所產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)按照正弦規(guī)律進(jìn)行變化，而這三路磁動(dòng)勢(shì)疊加后為一恒定磁動(dòng)勢(shì)。負(fù)載作用在主磁路上的全部磁動(dòng)勢(shì)也為一恒定磁動(dòng)勢(shì)，從而實(shí)現(xiàn)變壓器磁動(dòng)勢(shì)平衡。

式中，n為匝比，n=nA/n2=nB/n2=nC/n2。

1.5磁組合變壓器的等效電路模型

根據(jù)電磁感應(yīng)定律，基于理想情況下，忽略一次繞組內(nèi)阻，一次繞組端電壓方程為

由式（6）和式（9）可得

式中，LmpA、LmpB和LmpC分別為一次繞組的勵(lì)磁電感。

考慮一次側(cè)漏感（L1A、L1B、L1C）、二次側(cè)漏感（Ll2）的情況下，一次、二次繞組端電壓方程為

由式（9）～式（11）可得

一次、二次側(cè)繞組端電壓和電流之間的關(guān)系寫(xiě)成矩陣形式為

由式（12）和式（13）得出磁組合變壓器的等效電路模型，如圖4所示。

1.6磁組合變壓器的數(shù)學(xué)模型

根據(jù) 1.4節(jié)所述的磁組合式變壓器的結(jié)構(gòu)，用于一般的高頻變壓器的建模方式不能很好體現(xiàn)出磁組合變壓器的磁路特性。本文從一次、二次側(cè)電壓方程和磁鏈方程入手，采用狀態(tài)變量法建立理想磁組合變壓器的數(shù)學(xué)模型。

考慮一次、二次繞組內(nèi)阻壓降，一次、二次繞組端電壓方程為[10]

圖4　考慮變壓器勵(lì)磁電感和一次、二次側(cè)漏感的等效電路模型Fig.4 The equivalent circuit model considering magnetizing inductance and leakage inductance of transformer

相應(yīng)的磁鏈方程為

式中，MA、MB和MC為一次繞組A、B和C分別和二次繞組之間的互感；rA、rB、rC和 r2為一次繞組內(nèi)阻。

由式（15）可得

則由式（14）、式（16）聯(lián)立可得

式（16）～式（18）構(gòu)成了組合式變壓器的動(dòng)態(tài)模型，在此模型中，磁鏈作為中間變量，一次、二次繞組端電壓作為輸入變量，一次、二次繞組電流作為輸出變量。

2 調(diào)制方法分析

本文采用按照正弦規(guī)律變化的移相控制方式[11,12]，在該移相控制方式中，每個(gè)橋臂的兩只開(kāi)關(guān)管均為180°互補(bǔ)導(dǎo)通，兩個(gè)橋臂的開(kāi)關(guān)信號(hào)之間存在一個(gè)相移，通過(guò)控制這個(gè)按照正弦規(guī)律變化的相移角來(lái)控制逆變橋的輸出電壓脈寬的大小，從而控制輸出電壓。

電力電子變換器的高頻變壓器內(nèi)部的磁通在開(kāi)關(guān)脈沖電壓作用下，通常表現(xiàn)為三種變化形態(tài)：正向施加電壓磁通增長(zhǎng)、反向施加電壓磁通降低和自由續(xù)流磁通基本不變。根據(jù)組合變壓器的單輸出繞組磁通耦合工作原理，二次繞組匝鏈了三個(gè)磁心中的磁通，所以三個(gè)一次繞組在磁心中產(chǎn)生的磁通變化方向必須基本相同，這樣輸出繞組匝鏈三路磁心的磁通變化而產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)相互疊加而非相互抵消，以保證輸出電動(dòng)勢(shì)的要求。因此，三單相全橋電路要同步控制。在電網(wǎng)電壓條件下，給出了驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形以及主要電壓波形，如圖5所示。其中，ua_ac、ub_ac和 uc_ac為三個(gè)高頻逆變橋的輸出電壓波形， u2為磁組合變壓器的二次繞組電壓波形?？梢钥闯龆坞妷簽?個(gè)一次電壓疊加之和。

3 AC-DC變換器仿真和實(shí)驗(yàn)分析

本文采用Matlab仿真軟件。根據(jù)1.6節(jié)所述的數(shù)學(xué)模型建立磁組合式變壓器的仿真模型。根據(jù)第2節(jié)的控制方式建立系統(tǒng)仿真模型。

仿真參數(shù)：輸入電壓為互差120°幅值為311V的三相交流電，三相三線制三角形聯(lián)結(jié)，負(fù)載為5Ω，輸出電壓為180V，開(kāi)關(guān)頻率為12kHz，變壓器一次繞組自感 LA=LB=LC=10mH，二次繞組自感 L2= 6mH，互感MA=MB=MC=4.5mH。從圖6可以看出，輸入電流的正弦度很高，而且和電網(wǎng)電壓相位一致。圖7為輸入電流的頻譜分析，從圖中可以得出輸入電流的總畸變系數(shù)THD約為6%，功率因數(shù)在0.99以上。圖8所示為直流母線電壓，其波形為饅頭波。圖9為全橋逆變器的輸出電壓，從圖9可以看出在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期中，正、負(fù)半軸的電壓值相等，輸出電壓的平均值為零，而且逆變器輸出電壓的包絡(luò)線為直流母線電壓波形。逆變器輸出電壓的寬度按照正弦規(guī)律變化。圖10給出了高頻變壓器一次、二次電流的仿真波形展開(kāi)圖，可以看出3個(gè)一次電流相等，而二次電流與一次電流之間有個(gè)匝比關(guān)系。圖11為輸出電壓波形，可以看出一個(gè)電源周期有6個(gè)較小波動(dòng)，二次繞組的輸出電壓是磁組合變壓器的3個(gè)一次電壓疊加后峰谷相抵的結(jié)果。

圖5　驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形以及變壓器一次、二次電壓波形Fig.5 Waveforms of gate driving signals and the primaryside voltage and the secondary-side voltage of transformer

圖6　電網(wǎng)電壓與輸入電流仿真Fig.6 Input voltage and current simulation waveforms

圖7　A相輸入電流的頻譜Fig.7 Input current frequency spectrum simulation of phase A

圖8　A相直流母線電壓仿真波形Fig.8 DC-link voltage simulation waveform of phase A

圖9　A相高頻變壓器的輸入電壓仿真波形Fig.9 Input voltage simulation waveform of phase A of high frequency transformer

圖10　高頻變壓器3個(gè)一次電流及二次電流仿真波形Fig.10 The primary-side current and secondary-side current simulation waveforms of high frequency transformer

圖11　負(fù)載輸出電壓仿真波形Fig.11 Output voltage simulation waveform

在理論分析和仿真研究基礎(chǔ)上，根據(jù)如圖1所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及圖5所示的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，本文設(shè)計(jì)了一臺(tái)功率為 1kW，輸出電壓為 100V，開(kāi)關(guān)頻率為12kHz，輸入濾波電感為500 μH，直流母線濾波電容為2 μF，磁組合變壓器匝比為48∶18的樣機(jī)進(jìn)行原理實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。圖12依次給出了網(wǎng)側(cè)輸入電壓、電流波形、直流母線電壓波形（饅頭波）、磁組合變壓器一次繞組電壓波形以及輸出電壓的波形。經(jīng)測(cè)試輸入電流的 THD在 10%之內(nèi)，功率因數(shù)能達(dá)到0.99以上，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)自然PFC功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了磁組合變壓器的仿真模型的正確性以及理論分析的正確性。

圖12　實(shí)驗(yàn)波形Fig.12 Experimental waveforms

4 結(jié)論

本文提出了基于磁組合變壓器的三相 AC-DC高頻變換器。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是通過(guò)磁組合變壓器將三個(gè)脈動(dòng)的功率疊加成恒定的功率。該變換器具有以下主要特點(diǎn)：①該變換器采用了模塊化結(jié)構(gòu)形式，使得電壓應(yīng)力減??；②該變換器直流母線上的濾波電容采用數(shù)微法的薄膜電容，而非電解電容，而且體積相應(yīng)減??；③該變換器可以實(shí)現(xiàn)自然PFC功能；④該變換器引入了三輸入繞組、單輸出繞組的磁組合變壓器，將變換器的輸入級(jí)和輸出級(jí)耦合在一起，使 AC-DC變換器直接以耦合磁能的形式疊加而非獨(dú)立輸出后再以電路的形式疊加輸出，可簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)。

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An AC-DC High Frequency Converter Based on Magnetic-Combination Transformer

Li Chunjie1Huang Wenxin1Li Peng2Fan Changxin1
（1. Nanjing University of Aeronautics and Astronautics Nanjing 211106 China 2. The Chinese People’s Liberation Army 94672 Troops Nanjing 211100 China）

To improve power factor and reliability of AC power supply, an AC-DC power converter based on magnetic-combination transformer is proposed in this paper. Instead of input AC sources in electric form, the proposed converter combines input AC source in magnetic form by adding up the produced magnetic flux from three magnetic cores of the coupled transformers. According to the instantaneous power balancing principle of three-phase circuit and the mutual difference of 120° for three-phase AC source, this topology adopts film capacitor and makes input current sinusoidal. This converter can achieve spontaneous PFC and improve power factor and power density. The simulation and experimental prototype of 1kW verify the theoretical analysis and the feasibility of the converter.

Magnetic flux additivity, magnetic-combination transformer, film capacitor, spontaneous PFC

TM461

李春杰 女，1985年生，博士研究生，主要從事電力電子與電力傳動(dòng)方面的研究。

E-mail: lcj_85@163.com（通信作者）

黃文新 男，1966年生，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事功率電子學(xué)與電機(jī)控制方面的研究。

E-mail: huangwx@nuaa.edu.cn

江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目（CXLX13_153）和中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金項(xiàng)目資助。

2014-04-17 改稿日期 2014-07-01