文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.171073
中文引用格式: 李晨琨,,劉小寧,,陳思明. Buck三電平變換器在水冷磁體電源中的應(yīng)用[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2018,,44(1):147-150.
英文引用格式: Li Chenkun,,Liu Xiaoning,Chen Siming. Application of buck three-level converter in power supply for water-cooled magnet[J]. Application of Electronic Technique,,2018,,44(1):147-150.
0 引言
中科院強(qiáng)磁場(chǎng)中心的40 T穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)裝置的磁體由內(nèi)水冷磁體和外超導(dǎo)磁體兩部分組成,,它們對(duì)磁體電源的電壓穩(wěn)定度均有一定要求。目前內(nèi)水冷磁體電源的整流部分是三相可控硅整流電路,,輸出電壓紋波較大,,對(duì)此本文提出了一套新的整流方案。
自1981年日本的Akira Nabae教授提出了中點(diǎn)箍位逆變器[1]之后,,越來(lái)越多的三電平電路出現(xiàn)了,。其中Buck三電平(Three-Level,TL)直流變換器對(duì)開(kāi)關(guān)器件耐壓要求低,,輸出紋波小,,適用于高電壓大電流場(chǎng)合。本文闡述了Buck TL變換器的基本情況與優(yōu)點(diǎn),,提出利用Buck TL變換器結(jié)合三相不控整流電路來(lái)替代可控硅整流電路的水冷磁體電源整流方案,。文中對(duì)電路進(jìn)行了參數(shù)計(jì)算和仿真設(shè)計(jì),并分析仿真結(jié)果得出了結(jié)論,。
1 簡(jiǎn)介
1.1 基本情況
Buck TL變換器電路圖如圖1所示,。Cd1和Cd2是分壓電容,容量大且相等,,理想工作狀態(tài)下其電壓均為輸入電壓Vin的一半,;Q1、Q2是開(kāi)關(guān)管,,D1,、D2是續(xù)流二極管;Lf是濾波電感,,Cf是濾波電容,,Rld是負(fù)載。
Buck TL變換器與典型的Buck變換器有相似之處:它們都是DC/DC降壓變換器,;都可用PWM方式控制電路,;電感電流連續(xù)時(shí)都有Vo=DVin(D為占空比);輸出端與負(fù)載之間都有一個(gè)LC濾波電路。不同之處在于:Buck TL變換器有兩個(gè)開(kāi)關(guān)管Q1,、Q2,,它們交錯(cuò)工作,驅(qū)動(dòng)信號(hào)相差180°相角,;輸入到LC濾波器中的電壓具有Vin,、0.5Vin、0三種取值,;當(dāng)D>0.5和D<0.5時(shí),,變換器具有兩種工作模式。
1.2 優(yōu)點(diǎn)
1.2.1 電壓控制
電感電流連續(xù)時(shí),,Vo=DVin,。因此Buck三電平變換器對(duì)輸出電壓具有良好的控制特性。
1.2.2 電壓應(yīng)力
在Vin相同的情況下,,Buck TL變換器開(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力僅為輸入電壓的一半,,是經(jīng)典Buck變換器的二分之一,大大改善了開(kāi)關(guān)管的工作條件,,有利于開(kāi)關(guān)管的選取[2],。
1.2.3 電壓紋波
外界條件相同的情況下,Buck TL變換器與傳統(tǒng)Buck變換器相比,,輸出電壓的紋波更小,。
2 參數(shù)計(jì)算
結(jié)合水冷磁體電源電路的實(shí)際情況與本文提出的整流方案,對(duì)Buck TL變換器進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì),。負(fù)載取純電阻Rld=5 Ω,;開(kāi)關(guān)管取IGBT,開(kāi)關(guān)頻率為10 kHz,。
2.1 輸入電壓
如圖2所示,,三相電壓經(jīng)變壓器輸入到可控硅整流電路,線電壓有效值V1=610 V,。根據(jù)三相不控電路的原理,,其輸出直流電壓平均值V2=1.35V1=823.5 V。
三相不控電路輸出電壓除直流分量外還含有6,、12,、18等次諧波,其中6次諧波最大,。已知m脈波整流電壓諧波幅值[3]為:
代入n=6,,m=6(K=1),得V6m=47.07 V,。
忽略高次紋波,,Buck TL變換器的輸入電壓為vin=823.5+47sin600πtV,。
2.2 分壓電容
首先分析分壓電容的充電過(guò)程。Buck TL變換器有三電平和兩電平兩種工作模式[4],,在三電平模式下進(jìn)行分析,,三電平模式下的主要波形如圖3所示。
D>0.5時(shí),,變換器工作在三電平模式(Three-Level Mode,,3L Mode)。
(1)開(kāi)關(guān)模態(tài)1
t0-t1階段和t2-t3階段,。Q1,、Q2開(kāi)通,電感電流iLf上升,,AB端電壓VAB=Vin,;此時(shí)Cd1、Cd2上沒(méi)有電流通過(guò),。
(2)開(kāi)關(guān)模態(tài)2
t1-t2階段,。Q1開(kāi)通,Q2關(guān)斷,,iLf下降,VAB=0.5 Vin,;此時(shí)Cd1放電,,Cd2充電。
(3)開(kāi)關(guān)模態(tài)3
t3-t4階段,。Q1關(guān)斷,,Q2開(kāi)通,iLf下降,,VAB=0.5 Vin,;此時(shí)Cd1充電,Cd2放電,。
分析開(kāi)關(guān)模態(tài)2,,開(kāi)關(guān)模態(tài)2時(shí)的等效電路如圖4所示。
如圖4所示,,此時(shí)Cd1放電,,Cd2充電。設(shè)通過(guò)Cd1,、Cd2和Q1的電流大小分別為id1,、id2、iq1,,Cd1和Cd2兩端的電壓大小分別為ud1和ud2,。已知Cd1=Cd2,。由基爾霍夫定律知id1+id2=iq1,Vin=ud1+ud2,,則兩電容電壓的變化量在任意時(shí)間內(nèi)都相等,,即Δud1=Δud2。由電容充放電公式有:
可推得id1=id2=0.5iq1,。
設(shè)電容電壓在t1-t2階段的變化量Δud1=Umd1,。取Umd1為Ud1的10%,則Umd1=0.1·0.5Vin=41.2 V,。設(shè)輸出電壓穩(wěn)定在500 V,,則負(fù)載電流iR=Uo/Rld=100 A。結(jié)合iq1=iL,,IL=IR,,代入電容充放電公式:
得分壓電容Cd1=Cd2=9.53×10-5 F。
2.3 輸出濾波器
已知輸出電壓最大諧波為6次諧波,,則取截止頻率為300 Hz,,可代入
可算得L=2.65×10-3 H,C=1.06×10-5 F,。
3 分壓電容均衡問(wèn)題
Buck三電平變換器正常工作的前提是兩個(gè)分壓電容的電壓保持相等,。但在實(shí)際電路運(yùn)行時(shí),由于控制電路,、驅(qū)動(dòng)電路或兩開(kāi)關(guān)特性不同,,兩開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間會(huì)有差異,它們所接受或提供的能量也不同,,最終導(dǎo)致兩電容電壓不相等,。
解決該問(wèn)題的基本思路是:檢測(cè)兩電容的電壓,若Ud1大于Ud2,,則增大Q1導(dǎo)通時(shí)間,,同時(shí)減小Q2導(dǎo)通時(shí)間,反之亦然,。這樣兩電容電壓波動(dòng)不大,,可以穩(wěn)定在0.5 Vin附近。仿真時(shí)可采樣兩電容電壓進(jìn)行對(duì)比,,利用脈沖寬度調(diào)制方式(Pulse Width Modulation,,PWM)調(diào)整開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間。
除了均衡電容電壓的控制環(huán),,還有一個(gè)電壓環(huán)用于保持輸出電壓的平衡,。
4 仿真設(shè)計(jì)
用Matlab Simulink搭建替代可控硅整流電路的方案,即三相不控整流電路加Buck TL變換器,。原整流方案及新整流方案分別如圖5和圖6所示,。
設(shè)定好參數(shù),,進(jìn)行Simulink仿真。
5 仿真結(jié)果分析
設(shè)定輸出電壓為500 V,,用示波器和FFT工具對(duì)輸出電壓進(jìn)行分析,。
圖7顯示原可控硅整流方案的仿真輸出電壓波動(dòng)Δu1約為400 V。
圖8顯示了原整流方案仿真電壓的直流量和主要諧波,。其中直流量UT0=498.15 V,,6次諧波UT6=168.24 V,12次諧波UT12=52.77 V,,18次諧波UT18=24.35 V,。
圖9顯示了新整流方案的仿真輸出電壓波動(dòng)Δu2不超過(guò)5 V。
圖10顯示了新整流方案仿真電壓的直流量和主要諧波,。新整流方案仿真電壓直流量UB0=500.8 V,,6次諧波UB6=1.8 V,12次諧波UB12=0.62 V,,18次諧波UB18=0.52 V,。
對(duì)比數(shù)據(jù)可知:相比原可控硅整流方案,應(yīng)用Buck TL變換器的新整流方案具有誤差更小,、更穩(wěn)定的輸出電壓,,各次諧波也大大減小。
6 結(jié)論
本文通過(guò)分析Buck TL變換器的工作原理給出了參數(shù)設(shè)計(jì)的方法,,提出分壓電容均衡問(wèn)題的解決思路并在仿真電路中實(shí)現(xiàn),。最后運(yùn)行仿真電路得出結(jié)論:應(yīng)用Buck TL變換器的新整流方案可大大減小輸出電壓紋波,增加電壓穩(wěn)定度,。
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