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1 010 年月电工技术学报 Vol.5 No. 第 5 卷第期 TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Feb. 010 Buck-Boost 式三电平单级 AC/AC 变换器杨君东李磊 ( 南京理工大学动力工程学院南京 10094) 摘要提出了 Buck-Boost 式三电平单级 AC/AC 变换器电路拓扑, 该变换器适用于高压场合, 具有开关管的电压应力低单级功率变换变换效率高三电平波形实现升降压输出输出电压 TH 较小负载能力强等优点该变换器的开关管电压应力是两电平的 1/, 大大降低了在高压场合对开关管的电压应力要求同时, 研究了适用于该变换器的电压瞬时值反馈控制策略, 该策略能够快速响应输入及输出电压的变化 ; 并根据输出电压电流的极性, 分析了该变换器负载时的四种工作模式 ; 以及该三电平变换器在 CCM 和 CM 模式下的输入输出特性和外特性实验结果充分证实了该变换器的正确性和先进性关键词 : 三电平 AC/AC 变换器电压瞬时值控制单级功率变换中图分类号 : TM465 A Buck-Boost Mode Three-Level Single-Stage AC/AC Converter Yang Jundong Li Lei Abstract (Nanjing University o Science and Technology Nanjing China) Buck-Boost three-level (TL) single-stage AC/AC converter circuit topology is proposed in this paper. This converter, which is suitable or high input voltage ield, has many advantages such as low voltage stress o the switches, single-stage power conversion, high conversion eiciency, three-level voltage waveorm o the inductor or storing energy, low TH o output voltage, strong load adapting ability, et al. The voltage stress o switches o this converter is hal o that o two-level converter. So the requirement o the voltage stress o switches can be lowered in high-voltage ield. The transient voltage eedback control strategy o the converter is also investigated, which can rapidly respond to the change o the input and the output voltage. According to the polarity o the output voltage and the output current, the converter contains our kinds o operation modes. Each operation mode is equal to a three-level C/C Buck-Boost converter. The operation principle o the converter is analyzed in details. The external characteristic o this converter is analyzed in CCM mode and CM mode. The correction and advance o the kind o converters are veriied by experiment. Keywords:Three-level, AC/AC converters, transient voltage control, single-stage power conversion 国家自然科学基金 ( ) 江苏省自然科学基金 (BK009389) 青蓝工程和卓越计划资助项目收稿日期改稿日期引言多电平功率变换技术是一种可以满足高压大功率需要的新兴技术, 可以用电压等级低的器件完成高压电能的变换, 使得电力电子技术可以应用在高

2 108 电工技术学报 010 年月压大功率的场合三电平变换器具有开关管电压应力低输出电压谐波小等优点, 自 1980 年提出后, 吸引了众多学者的研究兴趣, 先后提出了多种多电平变换器, 并广泛应用于交 - 直流能量转换交流电机变频调速电能质量控制等领域将多电平变换器的概念应用于直流变换器, 可以得到多电平直流变换器 [1-3], 具有降低开关管电压应力减小输入输出滤波器等优点, 适用于高输入 / 输出电压的功率变换器场合将多电平的概念引入无中间直流环节的交 - 交变换器 [4-5], 也具有同样的优点目前, 国内外在这方面研究的还很少, 文献 [4] 中提出了三电平交流斩波器, 但是该电路存在只能降压输出的局限性为此本文提出了具有升降压输出特性的 Buck-Boost 式三电平单级 AC/AC 变换器电路拓扑本文提出了输入输出共地 Buck-Boost 式三电平单级 AC/AC 变换器电路拓扑, 具有开关管电压应力低单级功率变换三电平波形实现升降压输出输出电压 TH 较小负载能力强等优点, 其拓扑如图 1 所示 V 1 ~ V4 是续流二极管, L 是中间储能电感, C b 是隔直电容, C 是输出滤波电容 3 控制方案该变换器采用电压瞬时值反馈控制方案 [8], 感性负载时控制框图和原理波形, 分别如图图 3 所示将输出电压 u o 的采样信号, 与正弦基准信号 u r 比较, 经比例调节器后得到误差放大信号 u e, 另外隔直电容的电压采样信号与 (u in +u o )/ 采样信号比较得到另一个误差放大信号, 将两个误差信号整合分别与三角波载波 u RAMP1 u RAMP 进行比较 (u RAMP 与 u RAMP1 相位相差 180 ), 得到 PWM 信号 u h1 u h u h3 u h4, 再引入输入电压的极性信号 u sy 和误差放大信号的极性信号 u ey, 经过一系列数字逻辑变换, 得到每个功率开关管的驱动信号, 其中 : Q ( u usy ) u ; Q ( u usy ) u ; 1 h1 ey h ey Q3 ( uh usy ) uey ; Q4 ( uh1 usy ) uey ; Q1 ( uh 3 usy ) uey ; Q ( uh 4 usy ) uey ; Q3 ( uh 4 usy ) uey ; Q4 ( uh 3 usy ) uey 4 工作模式图 1 Buck-Boost 式三电平单级 AC/AC 变换器拓扑 Fig.1 Circuit topology o Buck-Boost three-level (TL) single-stage AC/AC converter Q 1 ~Q 4 Q 1 ~ Q4 是开关管, V 1 ~V 4 下面以感性负载为例详细分析变换器的工作模式 : 在一个工作周期内, 按照输出电压 u o 和输出电流 i o 的极性划分, 该变换器分为 A B C 四种工作模式, 每一种工作模式都相当于一个 Buck- Boost 三电平直流变换器

4 005 年 1 月电工技术学报 Vol.0 No.1 第 0 卷第 1 期 TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Jan. 005 Fig. 图 Buck-Boost 式三电平单级 AC/AC 变换器控制框图 Control rame diagram o Buck-Boost TL single-stage AC/AC converter (a) 开关模式 1 图 3 Buck-Boost 式三电平单级 AC/AC 变换器原理波形 Fig.3 Principal waveorms o Buck-Boost TL single-stage AC/AC converter 当 u o >0,i o >0 时, 电路工作于模式 A, 能量由电源向负载传输, 其中 Q 1 Q 高频斩波, Q 3 (b) 开关模式 Q 4 导通, Q 1 ~ Q4 关断这个工作模式又分为四个开关模式, 如图 4 所示 (c) 开关模式 3

5 第 5 卷第期杨君东等 Buck-Boost 式三电平单级 AC/AC 变换器 109 图 5 当 u o <0 和 i o >0 时电路的四种开关模式 Fig.5 Four operational modes o circuit when u o <0 and i o >0 当 u o <0,i o <0 时, 电路工作于模式 C, 能量由电源向负载传输, 此时 Q 1 Q 高频斩控, Q3 (d) 开关模式 4 图 4 当 u o >0 和 i o >0 时电路的四种开关模式 Fig.4 Four operational modes o circuit when u o >0 and i o >0 当 u o <0,i o >0 时, 电路工作于模式 B, 能量由负载向电源回馈, 此时 Q 3 Q 4 高频斩控,Q 1 Q 导通, Q 1 ~ Q4 关断, 包括四个开关模式, 如图 5 所示 Q4 常通,Q 1 ~Q 4 均关断, 工作模式和模式 A 类似当 u o >0,i o <0 时, 电路工作于模式, 能量由负载向电源回馈, 此时 Q3 Q4 高频斩控, Q 1 Q 常通,Q 1 ~Q 4 均关断, 工作模式和模式 B 类似 5 工作原理和基本关系 (a) 开关模式 1 (b) 开关模式 (c) 开关模式 3 (d) 开关模式 4 在一个工作周期中, A B C 四种工作模式都相当于一个 Buck-Boost 三电平 C/C 变换器, 工作原理和基本关系类似, 仅以 A 工作模式为例分析变换器中间储能电感电流连续和断续时的工作原理和基本关系 [14] 5.1 变换器输入输出特性时的情况当 0.5 时, 变换器的主要工作波形如图 6a 所示一个开关周期内, 有四个开关模态 (1) 开关模态 1[t 0,t 1 ] Q 1,Q 同时导通, V 1 和 V 截止, 它们所承受的电压应力均为 (u in +u o )/ 输入电压全部加在中间储能电感 L 上, L 的电流线性增加, 其增长量为 uints 1 il H ( ) (1) L () 开关模态 [t 1,t ] t 1 时刻关断 Q, V 导通,Q 和 V 1 上的电压均为 (u in +u o )/, 电感 L 上的电压 u L =(u in u o )/,i L 线性下降, 下降量为 ( uo uin ) Ts il H ( ) (1 ) () L (3) 开关模态 3[t,t 3 ] t 时刻开通 Q, V 1 和 V 截止, 该模态与开关模态 1 相同, 在此不再赘述 (4) 开关模态 4[t 3,t 4 ] t 3 时刻关断 Q 1, V 1 导通, 工作情况与开关模态类似

6 110 电工技术学报 010 年月在稳态工作时, 中间储能电感电流的增长量等于它的下降量, 即 (a) 0.5 i ( ) i ( ) L H L H (3) 将式 (1) 式() 代入式 ( 3) 中, 可以得到 uo (4) u in <0.5 时的情况当 <0.5 时, 变换器的主要工作波形如图 6b 所示同样一个开关周期内, 变换器有四个开关模态 (1) 开关模态 1[t 0,t 1 ],Q 1 和 V 导通, Q 和 V 1 截止, 其电压应力均为 (u in +u o )/, u L =(u in u o ) /,L 的电流线性增加, 其增长量为 ( uin uo ) Ts il L ( ) (5) L () 开关模态 [t 1,t ] t 1 时刻关断 Q 1, V 1 和 V 导通,Q 1 和 Q 上的电压均为 (u in +u o )/ 电感 L 上的电压 u L =u o, 使 i L 线性下降, 其下降量为 uots 1 il L ( ) (6) L (3) 开关模态 3[t,t 3 ] t 时刻开通 Q, Q 1 和 V 截止, 该模态与开关模态 1 类似, 在此不再赘述 (4) 开关模态 4[t 3,t 4 ] t 3 时刻关断 Q, Q 1 导通, 工作情况与开关模态相同在稳态工作时, 中间储能电感电流的增长量等于它的下降量, 即 i L L L L ( ) i ( ) (7) Fig.6 图 6 (b) <0.5 变换器的主要工作波形 Key waveorms o the converter 将式 (5) 式(6) 代入式 ( 7), 可以得到 Uo (8) U in 1 综上所述, Buck-Boost 式三电平单级 AC/AC 变换器在整个开关周期内, 所有开关管和二极管上所承受的最大电压应力为 ( u inmax +u omax ) /( 其中 u inmax = U in,u omax = U o ), 是两电平 AC/AC 变换器开关管最大电压应力 u inmax +u omax 的 1/ [15], 从而降低了开关管和二极管上的电压应力 5. 变换器的外特性 5..1 电感电流连续根据以上分析得到, 当中间储能电感电流连续时,Buck-Boost TL 三电平变换器的输出电压和输入电压之比为 5.. 电感电流断续 U U o in 1 (9) 如果中间储能电感较小或负载减轻, 电感电流将会断续当负载减小到使 i Lminj =0( 当 0.5, j=h; 当 <0.5,j=L= 时,i L =i Lmaxj, 此时的负载电流 I omin 即为电感临界连续电流 I og 当 0.5 时 1 Ts 1 ogh maxh s on I ( ) I L T T Uin ( 1)(1 ) Ts L (10) 当 =0.75 时,I OGHmax 最大,I oghmax =

7 第 5 卷第期杨君东等 Buck-Boost 式三电平单级 AC/AC 变换器 111 ( UinTs ) / (16 L ) 当 <0.5 时 1 UinTs 1 IoGL IL maxl 4L 1 (11) 当 =0.93 时,I oglmax 为最大, 为 I oglmax = Buck-Boost 式三电平单级 AC/AC 变换器 0VAC 输入时的降压模式实验波形如图 7 所示从图 7 可以看出输出电压的 TH 较小 ; 开关管承受的电压应力为 (u i +u o )/, 是两电平变换器的 1/; 储能电感的电压应力包括两个电平 ( (u i u o )/, u o ) ( UinTs ) / (3.3 L ) 取 I oglmax 为电感临界连续电流 I og 的基准值, 即 UinTs IoGmax IoGH max (1) 16L 那么, 根据式 ( 10)~ 式 (1), 可以得到 I og 的标幺值为 4(1 ) 0.5 * < 1 IoG (13) 8( 1) 同时, 不难得到电感电流断续时 (a) 输入电压 u i 和输出电压 u o I in s U T IoH ( 1) ( U U ) L ol o in ( Uin Uo )( Uin Uo ) Ts 4U L o (14) (15) (b) 开关管 Q 1 电压应力 u Q1 根据式 (1) 式(14) 式(15), 可以得到中间储能电感电流断续时, Buck-Boost TL 变换器的输出电压和输入电压之比为 U U o in * * * 4 Io Io < 8 8( 1) * Io 式中, Io Io / IoGmax 6 实验分析实验设计 : Buck-Boost 式三电平单级 (16) AC/AC 变换器拓扑电压瞬时值反馈控制方案, 输入电压 U i =0(1±10%)VAC(50Hz), 输出电压 U o =180VAC( 或 80VAC)(50Hz), 额定容量 S=500VA, 开关频率 F s =50kHz, 中间储能电感 L =mh, 隔直电容 C b =4.7F, 输出滤波电容 C =4.7F (c) 储能电感电压应力 u L 图 7 500VA Buck-Boost 式三电平单级 AC/AC 变换器降压模式实验波形 Fig.7 Waveorms o buck mode o the 500VA Buck- Boost TL single-stage AC/AC converter Buck-Boost 式三电平单级 AC/AC 变换器 0VAC 输入时的升压模式实验波形, 如图 8 所示从图 8 可以看出输出电压的 TH 较小 ; 开关管承受的电压应力为 (u i +u o )/, 是两电平变换器的 1/; 储能电感的电压应力包括两个电平 (u i,(u i u o )/)

8 11 电工技术学报 010 年月图 9 Buck-Boost 式三电平单级 AC/AC 变换器 0(1±10%)VAC 输入时的实验波形 Fig.9 Waveorms o buck mode o 0(1±10%)VAC input Buck-Boost TL single-stage AC/AC converter 7 结论 (a) 输入电压 u i 和输出电压 u o (b) 开关管 Q 1 电压应力 u Q1 (c) 储能电感电压应力 u L 图 8 500VA Buck-Boost 式三电平单级 AC/AC 变换器升压模式实验波形 Fig.8 Waveorms o boost mode o the 500VA Buck- Boost TL single-stage AC/AC converter 图 9 所示为 Buck-Boost 式三电平单级 AC/AC 变换器 0(1±10%)VAC 输入时的降压模式实验波形 (a) 输入电压为 0(110%)VAC 时的 u i 和 u o (b) 输入电压为 0(1+10%)VAC 时的 u i 和 u o (1) 提出了 Buck-Boost 式三电平单级 AC/AC 变换器电路拓扑, 该变换器中开关管的电压应力是两电平时的 1/ 它还具有单级功率变换三电平波形可以实现升降压输出输出电压 TH 较小负载能力强等优点 () 研究了该变换器的电压瞬时值反馈控制策略根据输出电压电流的极性, 分析了该变换器负载时的四种工作模式, 每种工作模式相当于一个 Buck-Boost 三电平 C/C 变换器 (3) 研究了该三电平变换器的工作原理, 分析了该三电平变换器在 CCM 和 CM 模式下的输入输出特性和外特性 (4) 该变换器与传统的交 - 直 - 交变换器相比较具有更高的变换效率, 同时较两电平变换器具有开关管电压应力低的优势实验结果证实了 Buck- Boost 式三电平单级 AC/AC 变换器的正确性和先进性参考文献 [1] Ruan X, Li B, Chen Q. Three-level converters a new approach in high voltage C-to-C conversion[c]. Proc.IEEE PESC, 00: [] Canales F, Barbosa P M, Burdio J M, et al. A zerovoltage-switching three-level C/C converter[c]. Proc. CPES, 000: [3] Chen aolian, Li Lei. Novel static inverters with high requency pulse C link[j]. IEEE Transactions on Power Electronics, 004, 19(4): [4] 石勇, 杨旭, 王兆安. 新型三电平 PWM 交流斩波器 [J]. 电工技术学报, 003, 18(6): Shi Yong, Yang Xu, Wang Zhaoan. A novel threelevel PWM AC chopper[j]. Transactions o China Electrotechnical Society, 003, 18(6): [5] 石勇, 杨旭, 王兆安. 新型三电平交流斩波电路的输出频谱结构分析 [J]. 中国电机工程学报, 004, 4(6): Shi Yong, Yang Xu, Wang Zhaoan. Research on the

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; 3/2, Buck-Boost, 3 Buck-Boost DC-DC ; Y, Fig. 1 1 BBMC The topology of three phase-three phase BBMC 3 BBMC (Study on the control strategy of

; 3/2, Buck-Boost, 3 Buck-Boost DC-DC ; Y, Fig. 1 1 BBMC The topology of three phase-three phase BBMC 3 BBMC (Study on the control strategy of 26 2 2009 2 Control Theory & Applications Vol. 26 No. 2 Feb. 2009 : 1000 8152(2009)02 0203 06 Buck-Boost 1,2, 3, 2, 4, 1 (1., 411201; 2., 410083; 3., 411105; 4., 410004) :, Buck-Boost,.,,. :,,,, : Buck-Boost