基于開關電容的三相雙向AC-AC變換器設計*

廖建文,張 婭,梅容芳,彭永杰

(宜賓職業技術學院電子信息與控制工程系,四川 宜賓 644003)

基于開關電容的三相雙向AC-AC變換器設計*

廖建文*,張 婭,梅容芳,彭永杰

(宜賓職業技術學院電子信息與控制工程系,四川 宜賓 644003)

在工業電壓變換領域,AC-AC變換器需具有高功率密度、高效率和低成本的特性。為此,提出了一種基于開關電容的雙向功率流三相AC-AC變換器,該變換器為雙向變換器,能夠降低或者增大輸出電壓。首先對該AC-AC變換器的開口三角形拓撲結構進行了分析,通過功率級只使用了電容和開關,來提高效率并增加功率密度,然后給出了其三相等效電路。該變換器在開環回路中運行時,增益、占空比以及頻率均為固定值。最后建構了3.5 kW樣機,并對其進行測試,實驗結果顯示在額定負載條件下提出變換器的效率約為93.7%,功率密度為1.23 kW/kg,且所需元件數量較少,成本更低。

交流-交流變換器;等效電路;開關電容;低成本;功率密度

眾所周知,住宅區和工業領域一直使用傳統變壓器/自耦變壓器來增加或者降低電壓等級。近年來,相關文獻對基于開關電容原理的交流-交流變換器進行了研究,認為基于開關電容的變換器能夠替代傳統變壓器/自耦變壓器。首次提出的開關電容(SC)設計是針對DC-DC變換器[1-2];后來,該原理用于AC-DC變換器、DC-AC變換器、諧振變換器、多電平變換器等其他變換器[3]。目前,此類變換器也用于AC-AC單相變換器以及三相功率變換器[4]。在效率、功率密度、重量以及體積方面,相較于傳統自耦變壓器,上述AC-AC變換器的性能更好,其主要原因在于電源電路中無電感元件。

相關科研人員進行了許多研究,旨在改善設計、靜態和動態模型以及SC功率變換器控制策略。大量研究研究結果表明,SC變換器的效率會受到SC運行模式的影響[5-6],運行模式是由開關頻率、開關電阻以及電容界定。SC變換器的穩態運行可用簡易的等效電路表示,可忽略開關[7]。大多數文獻采用建模方法提供瞬時和平均動態模型,以便分析電流和電壓紋波以及損耗[8-10]。

本文提出了一種基于開關電容的雙向功率流三相AC-AC變換器拓撲結構。相較于文獻[7]提出的變換器,使用的元件較少,分析了變換器結構中的等效電路以及各種電阻負載的相量(三角形連接或者星形連接),提出的變換器在開環回路中運行時,占空比以及開關頻率均為固定值。通過分析不同電阻、電感以及非線性負載的實驗結果,以及不同開關頻率條件下的效率曲線,驗證了提出變換器的性能以及功率因數曲線。

1 提出的三相AC-AC變換器設計

提出的SC三相AC-AC變換器結構原理,如圖1所示。2個SC單相元件連接呈開口三角形,如圖2所示(開口三角形結構與自耦變壓器相似)。文獻[7]中的三相AC-AC變換器由3個SC單相光電元件組成,相比較而言,本文提出的變換器所用元件數量減少了1/3。圖1所示的拓撲結構由4個雙向開關(BS)以及3個電容(其中1個電容器充當SC)組成。

圖1 提出的三相AC-AC變換器

圖2 單相元件組成的開口三角形結構

本文提出的變換器是雙向變換器,可以實現增壓或者降壓。輸出電壓波形與輸入電壓波形相同,增益使電壓成倍增加,但是頻率保持不變。該變換器在開環回路中運行時,開關頻率以及占空比均為固定值,接近0.5,門驅動器信號如圖3所示。

在第1個階段中,開啟所有奇數開關,然后C1和C4作為SC,與電容器C2和C5連接。在第2個階段中,開啟所有偶數開關,然后C1和C4作為SC,與電容器C3和C6連接。因此,C1使電容C2和C3的電壓變得均衡,C4使電容C5和C6的電壓變得均衡。對于降壓操作而言,如圖1所示,輸入電壓在1、4、6三個點上連接(VAB=V14、VBC=V46和VCA=V61),同時,在2、3(或4)、5三個點上獲得輸出電壓(Vrs=V23、Vst=V35和Vtr=V52)。對于升壓操作而言,電源在2、3(或4)、5三個點上連接,負載在1、4、6三個點上連接。

圖3 門驅動器信號

圖5 平衡三相等效電路

降壓操作時,此結構的理論電壓增益為:

(1)

此拓撲結構的優勢之一:降壓操作時,所有電容器以及開關的最大電壓為:

(2)

在升壓操作中,元件的最大電壓是負載電壓的一半。

本文提出了開口三角形變換器的單相等效電路。首先,獲得了三相不平衡等效電路,如圖4所示。然后,根據圖4產生了三角形三相平衡等效電路,如圖5所示。

圖4 不平衡三相等效電路

接著進行Δ-Y轉換;最后根據圖5獲得了單相等效電路,如圖6所示。創建了通用表示形式,如圖7所示。圖7所示的等效電路由模仿傳導損耗的串聯電阻(RS)、模仿開關損耗的并聯電阻(RP)以及模仿無功功率流的并聯電容(CP)組成[11]。

圖6 單相等效電路

圖7 單相等效電路的通用表示形式

等效電路的參數表示如下:

VX=Vin/2

(3)

Ceq=3C

(4)

Rsl=1/(4Cossf)

(5)

上述研究結果表明了微波選擇性加熱的事實，對于錫石多金屬硫化礦而言，由于礦石礦物存在選擇性加熱，因此，采用微波加熱處理后可能導致礦石內部出現應力集中現象，從而強化磨礦效果。

(6)

(7)

(8)

Cp=2Ceq

(9)

式中:C表示電源電路的電容(C=C1=C2=C3=C4=C5=C6),Ron表示開關的傳導電阻,fs表示開關頻率,Coss表示開關的固有電容,D表示占空比。

等效電路元件值取決于輸入源以及負載的連接方式。對圖7所示的等效電路進行分析之后,可獲得有關效率以及功率因數的方程式,如下所示:

(10)

(11)

利用上述方程式設計變換器,同時對其性能進行預估。效率與串并聯電阻(Rp和Rs)有關,串并聯電阻與元件以及SC變換器的運行模式有關。本變換器具有電容性(自耦變壓器具有電感性),輸入側的功率因數與2個元件有關:(1)(與Ceq相關的)結構;(2)變換器的負載類型(與自耦變壓器相同)。

對開口三角形連接變換器電壓進行了詳細分析,結果如表1所示。表1是各類負載的相量分析以及有關輸入電壓的輸出電壓方程式。

表1 開口三角形連接中各類負載的相量圖分析

2 實驗結果

本設計建構了220 V/110 V/3.5 kW的樣機,用于驗證本文提出變換器的性能。圖8是樣機的照片,表2是設計樣機技術參數。

圖8 提出三相AC-AC變換器樣機

表2 樣機的主要技術參數以及元件

2.1 降壓/升壓時的輸出電壓

圖9 線間輸入電壓(VAB)和三相線間輸出電壓(Vrs、Vst和Vtr)波形

圖10 電容器C1、C2和C3的電壓應力波形

圖11 開關S1的電壓應力波形

2.2 不同負載條件下的輸出電壓和電流

圖12是3.5 kW電阻負載條件下輸入電流IA以及線間輸入電壓VAB的波形。對結果進行分析之后可知,1.1ms(約為23°)時線電壓領先于線電流,此結果正是電容電路所需。在此次測試中,添加0.2mH的L濾波器過濾高頻,波形為正弦。

圖12 電阻負載條件下線間輸入電壓(VAB)以及輸入電流(IA)波形

圖13 電感負載下線間輸入電壓(VAB)、線間輸出電壓(Vrs)、線到中心點間電壓(Vrn)以及線到中心點間電流(Ir)的波形

圖14 非線性負載條件下線間輸入電壓(VAB)、線間輸入電壓(Vrs)、輸入電流以及輸出電流(IA和Ir)波形

圖14是非線性負載條件下(900VA以及峰值因數2.43)的實驗結果:輸入電壓(VAB)、輸出電壓(Vrs)、輸入電流(IA)以及輸出電流(Ir)的實驗波形。需注意,在相移方面,輸入電壓以及輸出電壓保持不變。

2.3 效率和功率因數

圖15是不同電阻負載條件下的功率因數曲線。正如預期那樣若有功功率流較低,以結構本身固有的無功功率為準,功率因數較低。功率因數會隨著有功功率的增加而增加,接近單一數值。在額定負載條件下,理論分析表明功率因數為0.987,但是圖15的實驗結果表明功率因數為0.998。產生差異的原因在于,本文提出的等效電路并未考慮到功率級的寄生電感,寄生電感會影響結構的功率因數。

圖15 不同負載條件下結構的功率因數曲線

圖16是提出變換器的實驗效率曲線。在接近半負載(處理1.5kW)情況下獲得了最大實驗效率(94.5%)。在額定負載條件下,效率約為93%。在不同開關頻率條件下進行了測試,其結果表明:若負載較輕時,開關頻率降低,效率增加;若負載較重時,需較高開關頻率提升效率。

圖16 在不同負載條件下,效率隨著不同開關頻率變化的曲線

2.4 成本比較

對本文提出的拓撲結構以及文獻[7]中的三相AC-AC變換器進行比較后可發現,相較于文獻[7]中三相拓撲結構的開關(24)、電容器(9)以及驅動器(12)數量,本文提出的拓撲結構只需要開關(16)、電容器(6)以及驅動器(8),元件總數量較少。需要注意,文獻[7]中變換器的功率密度1.35kW/kg,比本文提出變換器的1.23kW/kg稍大。

3 結論

本文提出了基于開關電容的雙向功率流三相AC-AC變換器,具有無需磁性元件、效率高、雙向功率流等特點。最重要的是,相較于現有的三角形或者星形連接三相AC-AC變換器,其元件數量較少。實驗結果顯示在額定負載條件下提出變換器的效率約為93.7%,功率密度為1.23kW/kg,可以替代傳統三相自耦變壓器。

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Design of a Three Phase Bidirectional AC-AC Converter Based on Switched Capacitor*

LIAOJianwen*,ZHANGYa,MEIRongfang,PENGYongjie

(Department of Electronic Information and Control Engineering,Yibin Vocational and Technical College,Yibin Sichuan 644003,China)

In the field of industrial voltage transformation,AC-AC converter has the characteristics of high power density,high efficiency and low cost. For this purpose,a bidirectional power flow three phase AC-AC converter based on switched capacitor is proposed,which can reduce or increase the output voltage. Firstly,the AC-AC converter open triangle topology is analyzed,the power level only uses capacitor and switch to improve the efficiency and increase the power density,and then gives the equivalent circuit of three-phase. In open loop operation,the gain,duty ratio and frequency of the converter are fixed values. Finally a 3.5 kW prototype is built and tested. The experimental results show that at rated load under the conditions of the proposed converter efficiency about 93.7%,the power density is 1.23 kW/kg,and the cost is lower as the less number of components required.

AC-AC converter;equivalent circuit;switched capacitor;low cost;power density

項目來源:四川省教育廳重點項目(15ZA0397)

2016-04-02 修改日期:2016-04-25

C:8350;1290B

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.02.042

TM464

A

1005-9490(2017)02-0476-05