基于磁路耦合的電力電子變壓器直流變換技術

楊曉梅，虞漢陽，費益軍 ，吉 宇，徐曉軼，姚文熙

（1.國網江蘇省電力有限公司，南京 210029；2.浙江大學電氣工程學院，杭州 310027）

電力電子變壓器PET（power electronic transformer）被認為是可再生能源并網發電和高效利用電能的必要設備，是當前智能電網和電力電子的重要發展方向[1-3]。作為傳統變壓器的替代品，電力電子變壓器通過功率器件將電網的工頻電壓高頻化，再通過高頻變壓器實現電壓等級變換及電氣隔離的目的。通過該方式，電力電子變壓器不僅具有體積和重量方面的優勢，還能夠實現許多傳統變壓器不能完成的功能，比如提供直流母線、無功補償、諧波抑制、故障隔離等。

為了實現上述功能，學者們先后提出了單級式、兩級式及三級式[4-5]電力電子變壓器結構。其中，三級式PET以其完備的接口、模塊化的結構以及每級均可獨立設計的優勢得到了學者們的廣泛關注，成為目前最成熟的PET設計方案[5]。典型的三級式PET結構由整流級、隔離DC-DC級與逆變級組成，拓撲的核心部分是中間隔離DC-DC級，為了應對原邊高電壓和副邊大電流，通常采用多個功率模塊原邊串聯、副邊并聯的連接方式。為了保證能量雙向流動，通常采用雙向DC/DC變換器拓撲，其中雙有源橋DAB（dual active bridge）是最具代表性的選擇[6-11]。在此拓撲中，隔離變壓器的數目等于DAB變換器的數量，由于變壓器繞組之間需要高壓隔離，尤其繞組的引出端需要設計足夠的爬電距離，使得變壓器很難集成到變流器模塊中，限制了PET功率密度的提升。

為了提高模塊串并聯型PET的功率密度，在DAB拓撲的基礎上，研究人員還提出了三有源橋[12]、四有源橋[13-14]等多種多有源橋MAB（multiple active bridge）拓撲結構。MAB拓撲是在DAB拓撲的基礎上增加變壓器繞組和H橋單元獲得，擴展了DAB拓撲的功率等級與應用范圍。但是MAB拓撲在輸入電壓不匹配時，容易形成輸入H橋單元之間的環流，造成額外的損耗。

為此，本文提出一種改進型直流變換器電路，采用原邊磁路獨立、副邊磁路耦合的新型變壓器結構。采用這種結構易于將變壓器的原邊繞組與磁芯集成到高壓變流器模塊中，提高電力電子變壓器的模塊化程度，并且通過副邊磁路的耦合，減少變壓器的副邊繞組數量和端口數目，從而為提高電力電子變壓器的功率密度提供可能。首先介紹該電路和變壓器的組成結構；隨后對該電路的工作原理進行分析，設計基于移相角的功率控制策略；最后對設計方案和控制方法進行實驗驗證，證明方案的可行性。

1 基于磁路耦合的多有源橋結構

針對模塊串并聯型PET，為了減少采用獨立DAB時的變壓器數量，又避免采用MAB時原邊繞組之間的環流，本文設計了一種改進的隔離變壓器結構，如圖1所示。

該變壓器為多磁芯結構，原邊有多個繞組，每個磁芯對應一個原邊繞組，繞組之間沒有磁路耦合；副邊將所有磁芯堆疊在一起作為整體繞制，只有一個繞組。以該變壓器為基礎，進一步設計了原邊磁路獨立、副邊磁路耦合的多有源橋變換器（以下簡稱磁路耦合多有源橋MCMAB（magnetic coupling multiple active bridge）），其電路結構如圖2所示。

圖1 改進的變壓器結構Fig.1 Structure of improved transformer

圖2 MCMAB的拓撲結構Fig.2 Topology of MCMAB

原邊是模塊化結構，每個變流器模塊對應一個獨立的磁芯和原邊繞組，原邊所有全橋模塊的能量通過磁路耦合到副邊，副邊只有一對端子與副邊全橋變流器相連。根據等效電路，MCMAB的工作原理相當于多個DAB變換器，原邊先通過變換器再串聯，而副邊繞組則先串聯后再接變換器。

相對于傳統多DAB拓撲，MCMAB系統的變壓器原邊的拓撲和繞組結構不變，但是副邊繞制方式的改變使得許多電氣連接被磁路耦合所替代，端子數目縮減至2個。在高絕緣要求的變壓器設計中，需要給每個端子留出較大的空間以滿足絕緣及線路連接要求，因此，通過減少變壓器端子數量，有利于減小變壓器體積和提升系統的功率密度。此外，在改進的變壓器結構中，原邊繞組和磁芯與對應的高壓側變流器沒有高壓絕緣要求，可以將其與對應的高壓變流模塊集成在一起，形成如圖3所示的MCMAB三維結構。原邊的全橋電路、對應的變壓器原邊繞組和磁芯可作為一個獨立的功率模塊，副邊則使用高壓電纜直接繞過三塊板子的磁芯，這樣大大增加了系統的模塊化程度。

圖3 MCMAB的三維結構Fig.3 Three-dimensional structure of MCMAB

相對于MAB拓撲，MCMAB雖然增加了磁芯數目，但是原邊磁路獨立可以避免環流問題，減少了系統的損耗。另一方面，原副邊的H橋不對稱配置減少了變壓器副邊H橋單元的數目，有利于充分發揮器件的最大耐量，降低了電路復雜度和成本。

2 MCMAB的工作原理和控制方式

如圖2所示，采用改進變壓器后，電路的副邊繞組實際是以半匝為單位進行串聯，串聯的先后次序與傳統的串聯方式不同。可看作：首先在每個磁芯上各取半匝繞組，并串聯成組，按此方式將磁芯上所有繞組串聯成一系列半匝串聯組，再將這些組串聯起來。由于最終所有繞組都是串聯，串聯繞組之間交換位置不會影響電路的工作原理，仍然可以根據傳統串聯方式來分析電路。

將每個全橋模塊均控制為方波輸出，可以采用方波電壓源來代替全橋電路。在分析功率傳輸時，可以忽略變壓器的漏感和勵磁電感，因為變壓器漏感可看作與串聯的諧振電感Lk合并，而勵磁電感存在于每個獨立回路中，在磁芯不飽和情況下，勵磁電感與方波電源形成獨立回路，不影響能量傳輸。將原邊方波電源和諧振電感全部折算到副邊（vp1,2,…,N和 L1,2,…,N），得到系統等效簡化電路，如圖 4所示。

圖4 MCMAB的等效電路模型Fig.4 Equivalent circuit model of MCMAB

當原邊全橋采用相同的方波控制時，其工作模式與傳統DAB拓撲的工作模式類似，其原邊電壓是各模塊全橋輸出電壓之和，串聯電感是所有模塊的電感之和，DAB拓撲中的一些常見調制與控制方式均可以借鑒使用。與DAB相比，實際MCMAB的控制自由度更多，這些額外的控制自由度可用于優化功率流分布，平衡各模塊損耗等，而本文采用其最基本的控制方式——基于原副邊驅動信號移相的控制方案（簡稱原副邊移相控制）。

設原邊所有全橋模塊的驅動波形均為占空比為50%的方波信號，且沒有相移。副邊的驅動波形同樣為50%的方波信號，只是與原邊的方波信號有一個相位角φ，用來控制電路的輸出電壓及功率。根據等效電路原理，畫出MCMAB電路的工作波形，如圖5所示。圖中，vpk、vs和ILk依次為變壓器原邊第k個繞組的電壓、變壓器副邊電壓以及儲能電感電流。

對于原邊有N個全橋模塊的MCMAB系統，可以得出系統傳輸功率為

式中：nT為變壓器的匝比，nT=np/ns；d為系統的等效占空比，d=φ/π；fs為開關頻率。當 d＞0，即系統的移相角φ＞0時，系統功率P＞0，表示能量由變壓器的原邊向變壓器副邊傳遞；當d=0.5時，傳輸功率達到最大值，對于能量由變壓器副邊向變壓器原邊傳遞的情況，等效占空比 d=－φ/π，式（1）同樣適用；當d=－0.5時，電路的反向傳輸功率達到最大值。

圖5 理想狀態下MCMAB電路的工作波形Fig.5 Working waveforms of circuit for MCMAB in ideal state

因此，設計高壓側所有繞組具有相同的相位，而低壓側則根據功率流調節相位，相位滯后時功率流向低壓側，否則流向高壓側。由于需要控制相位，高壓側與低壓側的控制器之間需要嚴格的同步，具體控制框圖如圖6所示。圖中原邊高壓側的所有模塊均使用同步的PWM信號，副邊根據功率反饋值Ps和參考值Pref進行控制，得到所需的相位角φ。

圖6 基于同步的功率控制框圖Fig.6 Block diagram of power control based on synchronization

3 實驗結果

本文設計了一臺1 kW實驗樣機以驗證上述分析結論。實驗樣機主電路拓撲采用變壓器原邊3個H橋單元、副邊一個H橋單元的結構。系統由600 V直流電源供電，輸出電壓額定值為30 V，儲能電感Lk為0.8 mH。變壓器原邊H橋單元采用三菱公司的PSS15S92F6 IPM模塊，副邊根據電壓及電流等級選取了IPP023N10N5 MOSFET器件，開關頻率為3 kHz。整體系統采用數字控制，控制芯片采用TI公司的TMS320F28377型DSP。變壓器采用圖1所示的結構，匝比為 20∶1。

實驗中能量由變壓器原邊向變壓器副邊傳遞，樣機的實驗結果如圖7所示。

在直流輸入為600 V的情況下，每個H橋單元電容電壓的額定值為200 V，圖7（a）為系統輸入電壓波形，圖7（b）為系統輸出電壓波形。由圖7（b）可得，系統輸出電壓可以穩定在30 V，實現了DC-DC變換器的基本功能。原邊開關管的驅動信號S11及電感電流IL1波形如圖7（c）所示。當驅動信號幅值為3.3 V時，表示該驅動信號使能。當S11的驅動信號使能時，IL1＜0；當 S11的驅動信號關斷時，IL1＞0，說明 S11可以實現零電壓開關ZVS（zero voltage sw-itch）開通。對于副邊開關管，通過實驗結果圖7（d）可以發現其同樣滿足軟開關條件，也可以實現ZVS開通。

4 結語

（1）針對模塊串聯型電力電子變壓器中變壓器數量多、絕緣要求高的問題，首先提出了一種適用于電力電子變壓器中間級直流變換器的磁耦合多有源橋電路，通過改進變壓器的繞制方法，使用原邊磁路獨立、副邊磁路耦合的變壓器結構，設計了對應的直流變換器。將該拓撲應用到模塊化電力電子變壓器上，可以實現原邊功率模塊與變壓器的集成，同時簡化副邊的繞組和接線，降低了電路的復雜度，且有利于減少成本和提高功率密度。

（2）分析了該拓撲的基本結構、等效模型及工作原理，設計了基于移相角的功率控制策略。

（3）采用一臺1 kW的MCMAB實驗樣機對設計方案和控制方法進了實驗驗證，證明了該變壓器結構和拓撲的可行性。