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,。C_d1和C_d2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V_in的一半；Q₁,、Q₂是開(kāi)關(guān)管,，D₁、D₂是續(xù)流二極管,；L_f是濾波電感,，C_f是濾波電容，R_ld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V_o=DV_in（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V_in,、0.5V_in,、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)，V_o=DV_in,。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V_in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R_ld=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V_6m=47.07 V,。

    忽略高次紋波，Buck TL變換器的輸入電壓為v_in=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i_Lf上升，AB端電壓V_AB=V_in,；此時(shí)C_d1,、C_d2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,，i_Lf下降，V_AB=0.5 V_in,；此時(shí)C_d1放電,，C_d2充電。

    (3)開(kāi)關(guān)模態(tài)3

    t₃-t₄階段,。Q₁關(guān)斷,，Q₂開(kāi)通，i_Lf下降,，V_AB=0.5 V_in,；此時(shí)C_d1充電，C_d2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)C_d1放電,，C_d2充電。設(shè)通過(guò)C_d1,、C_d2和Q₁的電流大小分別為i_d1、i_d2,、i_q1,，C_d1和C_d2兩端的電壓大小分別為u_d1和u_d2。已知C_d1=C_d2,。由基爾霍夫定律知i_d1+i_d2=i_q1,，V_in=u_d1+u_d2，則兩電容電壓的變化量在任意時(shí)間內(nèi)都相等,，即Δu_d1=Δu_d2,。由電容充放電公式有：

可推得i_d1=i_d2=0.5i_q1。

    設(shè)電容電壓在t₁-t₂階段的變化量Δu_d1=U_md1,。取U_md1為U_d1的10%,，則U_md1=0.1·0.5V_in=41.2 V。設(shè)輸出電壓穩(wěn)定在500 V,，則負(fù)載電流i_R=U_o/R_ld=100 A,。結(jié)合i_q1=i_L，I_L=I_R,，代入電容充放電公式：

得分壓電容C_d1=C_d2=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U_d1大于U_d2,，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 V_in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)Δ_u1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U_T0=498.15 V,，6次諧波U_T6=168.24 V,，12次諧波U_T12=52.77 V，18次諧波U_T18=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U_B0=500.8 V,，6次諧波U_B6=1.8 V,，12次諧波U_B12=0.62 V,，18次諧波U_B18=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,。

參考文獻(xiàn)

[1] NABAE A，TAKAHASHI I,，AKAGI H.A new neutralpoint-clamped pwm inverter[J].IEEE Trans.on IA,，1981，17(5)：518-523.

[2] 李斌．三電平變換器的研究[D]．南京：南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院,，2002.

[3] 陳堅(jiān),，康勇，等.電力電子學(xué)：電力電子變換和控制技術(shù)[M].北京：高等教育出版社,，2011.

[4] 薛雅麗,，李斌，阮新波.第十五屆全國(guó)電源技術(shù)年會(huì)論文集[C].上海：中國(guó)電源協(xié)會(huì),，2003.