文獻標識碼： A
文章編號： 0258-7998(2013)05-0065-04
智能變壓器作為電力電子變壓器PET（Power Elec-tronic Transformer）的一種,，最早由Koosuke Harada等人于1996年提出,，其“智能”主要體現(xiàn)在它不僅實現(xiàn)了電壓的變換和能量的傳遞，而且能靈活控制高頻變壓器原副邊的電壓幅值和相位,。后來漸漸發(fā)展成電力電子變壓器體系,，統(tǒng)稱為電力電子變壓器。在電力行業(yè)快速發(fā)展的今天,，更應加強對電力電子變壓器新型拓撲和控制策略的研究,。
多電平智能變壓器不僅具備了傳統(tǒng)電力電子變壓器的特點，而且多電平技術(shù)的引入還帶來了許多新的優(yōu)勢,。例如在交流電能轉(zhuǎn)換領域,，與兩電平的電力電子變壓器相比，其輸出電壓的幅值與相位可靈活控制,，且輸出電壓的諧波含量低,。另外，高壓大功率場合也是多電平智能變壓器的重要應用領域,，有效解決了兩電平電力電子變壓器高開關應力,、高dv/dt等問題。多電平智能變壓器的靈活性和可控性使其在航空,、航天,、航海、制造業(yè),、冶金等軍事工業(yè)領域也能發(fā)揮重要作用,。所以，對多電平智能變壓器的研究具有重要的理論價值和現(xiàn)實意義。
1 工作原理
1.1 拓撲結(jié)構(gòu)及工作模態(tài)介紹
三電平智能變壓器拓撲如圖1所示,。Ct1和Ct2為兩個容值相等的儲能電容,， Cf1、Cf2為兩個容值相等的輸出濾波電容,；T為推挽全波式變壓器,，且4個繞組的同名端均相同，拓撲中的高頻變壓器不僅起到了電氣隔離的作用,，而且對電壓等級也可靈活控制,；4組反向串聯(lián)的開關管S1a、S1b和S2a,、S2b,，S3a、S3b和S4a,、S4b,，構(gòu)成了交流環(huán)節(jié)雙向開關管,，使能量可雙向傳遞,。三電平智能變壓器可將輸入的劣質(zhì)交流電壓波形轉(zhuǎn)變成平滑可調(diào)的交流輸出波形。
根據(jù)輸出側(cè)交流電壓值大小的不同,，SEPIC式三電平智能變壓器可以工作在D<0.5和D>0.5兩種情況下,。
1.2 工作特性分析
1.2.1 主要電壓、電流之間的關系表達式
為了方便分析,，以變壓器原副邊中間抽頭為分界線,，將變壓器等效分為上下兩部分：T1和T2，且變比相等均為n,。下列各式中uT1p,、uT1s為T1原邊和副邊的繞組電壓，uT2p,、uT2s為T2原邊和副邊的繞組電壓,。
一個開關周期中，電感電流變化量及主要電量間的關系如下：
1.2.2 變壓器磁復位分析
推挽全波式變壓器結(jié)構(gòu)簡單且對稱,，所以應用較為廣泛,，特別是中小功率場合。但是該變壓器在使用中容易產(chǎn)生偏磁現(xiàn)象[1],，原因主要有兩點：(1)電路的工作原理導致變壓器無法完成磁復位,；(2)功率開關管控制方式上的差異使得變壓器原邊伏秒積不平衡。
根據(jù)SEPIC式三電平智能變壓器的工作原理可知,，開關管S1,、S2的占空比相等，這樣保證了變壓器原邊繞組伏秒積相等,，不會產(chǎn)生偏磁現(xiàn)象,。但是實際樣機制作中由于器件的差異,、控制信號的偏差等不可能保證兩個開關管的占空比完全相同，這就是產(chǎn)生偏磁現(xiàn)象的主要原因,。
抑制SEPIC式三電平智能變壓器中的推挽全波式變壓器偏磁現(xiàn)象主要從兩方面著手：功率電路元器件的選擇和控制策略的設計,。一方面，繞制變壓器時要加氣隙,，不至于因偏磁而導致迅速磁飽和,；選擇型號相同的MOSFET作為功率開關管，且留有一定的電壓,、電流裕量,。另一方面采用均壓控制策略，即在控制中加入占空比修正電路,，這種控制方法保證了S1和S2的占空比相等,，也就保證了磁通在一個開關周期內(nèi)可以沿著磁滯回線回到起點以及伏秒積相等，從而保證了SEPIC式三電平智能變壓器的正常工作,。
2 控制器設計
根據(jù)上述對SEPIC式三電平智能變壓器工作原理的分析可知,，要使電路可靠穩(wěn)定運行并且得到高質(zhì)量的輸出波形就必須保證電容Ct1和Ct2兩端電壓uCt1和uCt2相等，所以只采樣輸出電壓的單閉環(huán)控制策略不能滿足控制需求,，必須加入電容電壓采樣閉環(huán)電路來修正S1a,、S2a、S1b和S2b的占空比,。圖4所示為控制策略原理框圖,，其中uRAMP1、uRAMP2為兩路相位相差180°的三角波信號,，uEA1,、uEA2為經(jīng)占空比修正后的誤差信號。
控制原理：采樣電容電壓uCt1和uCt2經(jīng)誤差放大器1生成誤差信號uEA-cd,，再反相得到-uEA-cd,；采樣輸出電壓uo和基準正弦波uref經(jīng)誤差放大器2生成誤差信號ue；將uEA-cd和-uEA-cd分別與ue疊加,，得到誤差修正信號uEA1,、uEA2，再與三角波信號經(jīng)比較器生成控制信號,。其均壓原理[2-4]：如果uCt1大于uCt2,，則uEA1減小，S1的占空比相應減小,，S2的占空比增大,，使得uCt1和uCt2相等；反之，S2的占空比減小,，S1的占空比增大,。
3 實驗結(jié)果
為了驗證拓撲工作原理和控制電路的正確性，在實驗室完成一臺500 W的單相原理樣機,。主要參數(shù)：輸入ui=220 V AC/50 Hz,，輸出uo=110 V AC/50 Hz；開關頻率fS=50 kHz,；儲能電感L1=0.4 mH,；變壓器變比n=1.4；儲能電容Ct1=Ct2=15 μF,。開關管MOSFET選IRFP460,。
圖5所示為樣機主要實驗波形。圖5(a)為輸入電壓與輸出電壓波形圖,，輸出電壓波形正弦度高,；圖5(b)為輸入端儲能電容Ct1和Ct2兩端的電壓波形，可以看出波形質(zhì)量良好,，幅值基本相等,，達到了均壓的效果，這也間接說明雙閉環(huán)均壓控制策略對抑制變壓器偏磁起到了一定的效果,，保證了變壓器的正常工作,；圖5(c)~圖5(f)為各開關管電壓應力波形（漏源端電壓）,，可以看出幅值與理論計算相近,，電壓應力相比兩電平時降低了一半，達到了三電平的效果,。
本文研究了隔離式SEPIC AC-AC變換器的工作原理,，推導了輸入輸出關系，并進行了閉環(huán)仿真實驗,，驗證了拓撲的正確性,。實驗結(jié)果表明，該變換器的開關管電壓應力比兩電平時降低了50%,，使得變換器能夠工作在高壓大功率場合,。同時由于三電平的引入，減小了輸出電壓諧波污染,，電感值也比兩電平時減小了許多,，這樣大大減小了變換器的體積，從而實現(xiàn)更廣泛的應用,，具有很高的理論價值和工程價值,。
參考文獻
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