張家金， 韓正之

(上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院， 上海 200240)

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推挽型電力電子變壓器的研究與設(shè)計

張家金， 韓正之

(上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院， 上海 200240)

相較于傳統(tǒng)的電力變壓器，電力電子變壓器是一種新型的將電力電子技術(shù)與高頻變壓器結(jié)合起來的電能傳輸裝置。以改進(jìn)型電力電子變壓器為研究對象，提出兩類新型電力電子變壓器拓?fù)?，一類為交流推挽型電力電子變壓?另一類為推挽型交-直-交電力電子變壓器。這兩類推挽型電力電子變壓器所需元器件更少，結(jié)構(gòu)更為簡單緊湊，但具有與常用變壓器相同的功率因數(shù)。分析了這兩類新型電力電子變壓器的理論基礎(chǔ)和優(yōu)點，并運(yùn)用Matlab/Simulink進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果驗證了方案的正確性。

電力電子變壓器； 推挽電路； 交交變換器； 交直交變換器

0 引 言

電力電子變壓器(PET)[1]是一種采用PET和高頻開關(guān)變壓器實現(xiàn)電壓變換和能量傳遞的電能傳輸裝置，相較于傳統(tǒng)的變壓器，PET具有許多優(yōu)點，如體積小、重量輕、成本低、供電穩(wěn)定、控制策略靈活等[2-3]。目前，PET的研究依然處在發(fā)展階段，其理論還不夠完善，存在著一些需要解決的問題，如復(fù)雜電路拓?fù)湎碌拇?lián)均壓問題等[4-6]。

實際應(yīng)用中，PET一般為高壓輸入—低壓輸出，并通過包含的高頻變壓器實現(xiàn)降壓和電氣隔離[7]。按PET前級和后級的結(jié)構(gòu)對其進(jìn)行分類，變壓器前、后級電路均可分為交-交型或交-直-交型兩類。在目前已提出的電路拓?fù)渲?，前級?交型電路通常為單相或三相矩陣變換器型[8-9];而前級交-直-交型電路一般運(yùn)用傳統(tǒng)的PWM整流橋與逆變器[10-11]。變壓器后級電路則主要包括高頻輸入的單相二極管不可控整流、單相PWM可控整流與逆變、矩陣變換器型等[12]。這些結(jié)構(gòu)所需的電力電子器件都比較多，結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜。本文提出用推挽技術(shù)來設(shè)計PET。推挽拓?fù)潆娐方Y(jié)構(gòu)簡單、變壓器磁芯利用率高，這些優(yōu)點可以成為PET設(shè)計的依據(jù)[13-14]。

1 推挽型PET電路拓?fù)渑c工作原理

推挽電路是一種重要的實用技術(shù)，廣泛應(yīng)用于電路的功放環(huán)節(jié)。在功放電路中，它通常采用2個參數(shù)相同的功率BJT 管或MOSFET 管，各自負(fù)責(zé)正負(fù)半周的波形放大任務(wù)[15]。電路工作時，兩只對稱的功率開關(guān)管每次只有一個導(dǎo)通，所以導(dǎo)通損耗小、效率高[16]。本文將推挽電路應(yīng)用于PET中，提出了兩類新型的推挽型PET。

1.1 交流推挽型PET

交流推挽型PET的電路拓?fù)湟妶D1，其設(shè)計輸入交流電壓10 kV，輸出的單相交流電壓±220 V。

圖1中，電感L1和電容C1構(gòu)成網(wǎng)測濾波器，主要起到濾波的作用。兩組雙向開關(guān)BS1、BS2構(gòu)成PET前級功率電路，其作用是將變壓器前級電網(wǎng)側(cè)的50 Hz工頻電壓斬波成高頻電壓，傳輸?shù)阶儔浩髑凹壘€圈。兩組雙向開關(guān)的開關(guān)頻率高于1 kHz，占空比均為50%。T1為高頻降壓變壓器，用于降壓和隔離。

雙向開關(guān)BS3～BS6構(gòu)成了單相-單相矩陣變換器，其作用是將經(jīng)過變壓器線圈降壓的低壓高頻交流電壓還原為工頻交流電壓，為后級負(fù)載供電。其中BS3與BS6為一組，兩者的驅(qū)動脈沖相同；BS4與BS5為另一組，兩者的驅(qū)動脈沖也相同。它們的開關(guān)頻率與前級的BS1、BS2相同，占空比也均為50%。電感L2和電容C2為后級濾波電路，RLC1為電路負(fù)載。

圖1所示電路實現(xiàn)變壓的工作原理如下：交流推挽型PET前級的AC-AC變換器部分與常見的交-交變換電路不同，它利用變壓器繞組的額外抽頭以及兩組功率半導(dǎo)體雙向開關(guān)，達(dá)到將工頻交流電壓變換為高頻交流電壓的目的。兩組半導(dǎo)體雙向開關(guān)的控制信號為互補(bǔ)導(dǎo)通的高頻矩形脈沖信號，占空比50%。當(dāng)輸入交流電壓在正半周時，左側(cè)的雙向開關(guān)觸發(fā)導(dǎo)通時，變壓器下端電壓更高；右側(cè)的雙向開關(guān)觸發(fā)導(dǎo)通時，變壓器的上端電壓更高。而當(dāng)輸入交流電壓在負(fù)半周時，左側(cè)的雙向開關(guān)觸發(fā)導(dǎo)通時，變壓器的上端電壓更高；右側(cè)的雙向開關(guān)觸發(fā)導(dǎo)通時，變壓器下端電壓更高。由于控制雙向開關(guān)通斷的觸發(fā)脈沖頻率遠(yuǎn)比工頻要高，因此在交-交推挽電路的輸出端，工頻交流電壓就被變換為高頻交流電壓，最終輸入給高頻變壓器的初級線圈。

這種交流推挽型PET的優(yōu)點在于既實現(xiàn)了PET的功能，又使所用半導(dǎo)體變流器件比常見的矩陣變換器型結(jié)構(gòu)減少了50%，更加便于靈活控制。同時結(jié)構(gòu)更加緊湊，效率更高，制造成本也相對更低。

1.2 推挽型交-直-交PET

推挽型交-直-交PET的電路拓?fù)淙鐖D2所示，其設(shè)計輸入交流電壓為10 kV，輸出的單相交流電壓±220 V。這類PET在電網(wǎng)側(cè)，先利用整流電路將工頻交流電壓整流為直流電壓，隨后通過推挽逆變電路將直流電壓逆變?yōu)楦哳l交流電壓。

圖2中，電感L1和電容C1構(gòu)成網(wǎng)測濾波器，與在圖1中一樣，主要起濾波作用。反向快速恢復(fù)二極管FRD1～FRD4構(gòu)成高壓整流橋，起到將電網(wǎng)側(cè)的工頻高壓交流電壓整流為直流電壓的作用。電容C2負(fù)責(zé)過濾整流完之后直流中的交流成分。半導(dǎo)體開關(guān)器件RCS1、RCS2構(gòu)成推挽電路，主要作用是將直流高壓逆變?yōu)楦哳l交流電壓，以傳輸給高頻變壓器前級線圈。兩個半導(dǎo)體開關(guān)器件的觸發(fā)脈沖信號頻率很高，一般高于1 kHz，占空比均為50%。T1為高頻降壓變壓器，用于降壓和電氣隔離。推挽型交-直-交PET的后級負(fù)載側(cè)與之前介紹的交流推挽型電力電子變壓器后級一樣，在此不再贅述。

這類變壓器的工作原理如下：推挽型交-直-交PET的AC-DC部分電路為最常見的傳統(tǒng)整流橋。而在DC-AC部分，與傳統(tǒng)逆變橋不同，它利用變壓器繞組的額外抽頭，只要兩個功率半導(dǎo)體開關(guān)器件就可以達(dá)到逆變?yōu)楦哳l交流電壓的目的。兩個半導(dǎo)體開關(guān)器件的控制信號為互補(bǔ)導(dǎo)通的高頻矩形脈沖信號。根據(jù)電路，當(dāng)左側(cè)IGBT導(dǎo)通時，變壓器下端電壓更高；而當(dāng)右側(cè)IGBT導(dǎo)通時，變壓器上端電壓更高。因此，由于觸發(fā)脈沖信號頻率很高，直流電壓就被推挽電路逆變?yōu)榱烁哳l方波交流電壓，最終輸入給高頻變壓器的初級線圈。

這種交-直-交PET中的推挽結(jié)構(gòu)相比于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在同樣實現(xiàn)PET功能的基礎(chǔ)上，其變流器件的數(shù)量大大減少。這樣既降低了制造成本，減少了工作損耗，也更容易優(yōu)化控制策略，具有很廣闊的研究價值和前景。

2 仿真分析

2.1 交流推挽型PET的仿真

根據(jù)圖1中的電路，利用Matlab/Simulink建立交流推挽型PET的仿真電路，包括功率電路和控制電路，其仿真參數(shù)設(shè)置如下：交流輸入電壓10 kV，濾波電感L1=0.25 mH，電容C1=5 μF。高頻交流電壓的頻率由仿真電路中Pulse Generator模塊產(chǎn)生的脈沖信號頻率決定。在此處仿真中，脈沖信號頻率為5 kHz。仿真采用理想開關(guān)，忽略開關(guān)損耗。

仿真環(huán)境下，網(wǎng)側(cè)輸入電壓與電流波形如圖3所示。在顯示電壓時，對其做了除以20的處理。由圖可見，電網(wǎng)側(cè)穩(wěn)態(tài)電流波形與輸入電壓波形相位基本一致，可見交流推挽電路能有效的保證整個電路的功率因數(shù)基本為1。作為對比，常見的矩陣變換器型PET的網(wǎng)測電壓與電流波形如圖4所示?？梢?，推挽型PET得到的功率因數(shù)與矩陣變換器拓?fù)涞玫降墓β室驍?shù)相比，幾乎一樣甚至更接近1。

經(jīng)過推挽電路后，輸入工頻交流電壓被斬波為高頻交流電壓，其總體波形如圖5所示?？梢娊涣麟妷悍档淖兓琅f按正弦規(guī)律。將其中某個部分的波形放大，就得到了高頻交流電壓的局部波形，如圖6所示。其頻率為5 kHz，與雙向開關(guān)觸發(fā)脈沖信號的頻率一致，波形的占空比為50%?？梢娡仆祀娐反_實將工頻交流電壓變換成了高頻交流電壓，仿真結(jié)果驗證了理論分析的正確性。

圖5 變壓器前側(cè)高頻交流電壓的總體波形

2.2 推挽型交-直-交PET的仿真

根據(jù)圖2中的電路，利用Matlab/Simulink建立推挽型交-直-交PET的仿真電路，包括功率電路和控制電路，其仿真參數(shù)設(shè)置如下：交流輸入電壓為10 kV，濾波電感L1=0.25 mH，電容C1=5 μF，并聯(lián)大電阻R1阻值50 kΩ。電路中兩個IGBT器件互補(bǔ)導(dǎo)通，其通斷控制信號為仿真電路中Pulse Generator模塊生成的高頻方波脈沖。而得到的高頻交流電壓的頻率也正取決于該方波脈沖信號的頻率。在此處仿真中，脈沖信號頻率為5 kHz。仿真采用理想開關(guān)，忽略開關(guān)損耗。

仿真環(huán)境下，網(wǎng)側(cè)輸入電壓與電流波形如圖7所示。在顯示電壓時，對其做了除以50的處理。由圖可見，電網(wǎng)側(cè)穩(wěn)態(tài)電流波形與輸入電壓波形相位基本一致，可見交-直-交推挽電路也能有效地保證整個電路的功率因數(shù)基本為1。作為對比，常見的PWM整流與逆變型PET的網(wǎng)測電壓與電流波形如圖8所示?？梢?，推挽型交-直-交PET得到的功率因數(shù)與PWM整流逆變拓?fù)涞玫降墓β室驍?shù)相比，結(jié)果更理想，更接近于1。

工頻交流電壓通過整流橋后被整流為單向的直流電壓，其波形如圖9所示。圖中直流電壓中每個半波的持續(xù)時間恰好為交流電壓周期的1/2，可見經(jīng)過整流橋電路后，電路已基本達(dá)到了AC-DC整流的目的。

整流后的直流電壓接入推挽電路后，被逆變?yōu)楦哳l交流電壓，總體波形如圖10所示?？梢姡哳l交流電壓幅值變化的包絡(luò)線與經(jīng)過整流橋整流得到的直流電壓的包絡(luò)線是一致的。將其中某個部分的波形放大，就得到了高頻交流電壓的局部波形，如圖11所示。其頻率為5 kHz，與脈沖信號的頻率一致，波形的占空比為50%?？梢娡仆祀娐反_實將直流電壓逆變成了高頻交流電壓，仿真結(jié)果驗證了理論分析的正確性。

圖10 變壓器前側(cè)高頻交流電壓的總體波形

3 結(jié) 語

本文以推挽型PET為研究對象，提出了交流推挽型PET和推挽型交-直-交PET這兩類新型PET拓?fù)?，分析了它們的工作原理，并利用Matlab/Simulink進(jìn)行了10 kV工頻交流電壓供電時的仿真分析。結(jié)果表明,這兩類推挽型PET方案與當(dāng)前常用的PET具有相似的功率因數(shù)，但其電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更為簡單，有廣闊的發(fā)展前途。

圖11 變壓器前側(cè)高頻交流電壓的局部波形

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Research and Design of Push-Pull Power Electronic Transformer

ZHANGJia-jin，HANZheng-zhi

(School of Electronic Information and Electrical Engineering, Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240, China)

The development of Smart Grid and power electronic technologies has driven a lot of new development in power system, especially the development of power electronic transformer (PET). Comparing to the traditional electrical transformer, PET is a new kind of power transmission device, which combines the high-frequency transformer with the power electronic technologies. This paper takes improved power electronic transformer as the main analysis object, and proposes two new kinds of topologies for the transformer. The first kind is AC-AC push-pull power electronic transformer, and the second is AC-DC-AC push-pull power electronic transformer. These two are much simpler than the common transformer. They all need fewer components, but could get the equivalent power factor as the normal transformer. On the basis of theoretical analysis, the simulation is conducted by Matlab/Simulink, and results validate the effectiveness of schemes.

power electronic transformer; push-pull circuit; AC-AC converter; AC-DC-AC converter

2014-10-30

張家金(1990-)，男，江蘇南通人，碩士生，主要研究方向為電力電子變壓器中的新設(shè)計及其應(yīng)用。

Tel.：13818207362; E-mail:zjjmonkey@126.com

韓正之(1947-)，男，上海人，教授，博士生導(dǎo)師。

Tel.：13901718127; E-mail:zzhan@sjtu.edu.cn

TM 41

A

1006-7167(2015)03-0074-04