一种Trans-Z源TSMC五桥臂变换器_邓述为.pdf

第 卷第期年月电力电子技术，一种源五桥臂变换器邓述为，谭永宏，罗恩 韬，杨钰（湖 南科技学院，湖南永州）摘要：将源网络和五桥臂双级矩阵变换器（）拓扑结合衍生出基于源五桥臂全新拓扑结构。该 拓扑结 构不仅具有五桥臂双输出的优点，而且在拓扑结 构中加入源网络结构 使得系统克服了传统五桥臂双输出电压传输比低的不足。系统中加入源网络结 构与常 规源网络结构比较，系统只需一个电容，且电容电压应力更低，而且源网络电压 传 输比不仅可以通过占空比调节，也可通过变压器匝数比调 节，具有 更高的电压调节范围。在此搭 建了源双输出系统，通过实验验证该拓扑结 构的正确性，实验结果验证了该 调制策略的可行性。关键词：变 换器；源；电压 传输比中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，）：（），？：；（）；？（）引言目前很多专 家学者在 传 统基础上提出双输出、该 变 换器不仅具有 传统输入输出性能优良、结构紧 凑、输入功 率因数可调等优点，而且其五桥臂型逆变级可以实现两组三相交流输出。但双输出并没有克服传统最 大电压传输比的缺点，而且双输出由于两组逆变级共享整 流级直流电压，导致其最大电压传输比更 低，这也 是双输出实用化的最大 障碍。在此将源引入五桥臂型双输出中系统，提出基于源五桥臂变换器拓 扑。该拓扑结 构不仅克服了双输出电压基 金项目：国家自然科学基金面上项目（）；年湖 南 省教育研究 项目（）定稿日期：作者简介：邓述为（），男，硕 士研究生，研究方向 为新型电力电子器件。传输比低的缺点，而且由于源网络结构系统可允许同一桥臂同时导通和 消 除了死区时间等优点。与其他源网络结构比较，源网络结构具有以下独特优势：减少了一个电容，使得系统更加紧凑，系统体积 得到减小，质量得到降低；源网络通过网络结 构中的电容直接串联在整流级和逆变级中，使得电容电压应力更低；源网络的 电压传 输比不仅可以通过改变占空比提高，而且通 过系统变压器的匝数比提高，因此 具有更大的升压调节范围。在此分析了源五桥臂变换器工作模式，提出适用源五桥臂变换器的双空间矢量调制策略，搭建一台以和为 控制器源五桥臂变换器系统，通过实验验证该 拓扑结构正确性，并通过实验结果验证该调 制策略的可行性。原理与设计源双输出拓扑结 构主要 是将第卷第期年月电力电子技术，源网络加在五桥臂双输出的整流级和逆变级中间而得到的一种全 新拓扑 结 构，如图所示。其拓扑结 构中还包含输入滤波 结构、输入电源和负载。与常规源网络比较，源网络用一个变压器代替两个电感，使得系统电容数量得到减少，由图可知，源网络直接串联在整流级 和逆变级中，使得电容电压应力更小，而且系统的电压传输比与占空比和变压器的匝数比有 关，所以新 拓扑结构系统具有更大的 电压传输比，因此可适用于大范围高升压比场合。输入滤 波？：逆变 级丨逆变 级？负栽负载图拓 扑 结 构根据三相输入电压中一相电压绝 对值为最大，另外两相电压的极性与之相反原则，将输入相电压的每 个周期分成个扇区，见图所示。为使整流级输出电压最 大，采用无 零 矢量空间矢量调制策 略。源五桥臂双输出整流级在一个周期中输出直流电压平均 值：式中：（丨，丨，丨）。路图是相同的，而且传 统零矢量状态可看成是电流为零的有效 矢量状态，所以新型主要 有两个运行模式：直通状态和非直通状态。当五桥臂逆变级开关状 态处于如图所示的直通状态时，五桥臂逆变级的上、下桥臂处于直通状态，处于关断状态，系统逆变级处于短路。此时，电容与整流级 直接串联，系统励磁电感充电，而通过电磁感应使变压器次级匕电动势迅速上升。可得“和匕两端电压：，）（）式中办，为变压器匝数比，为电压线圈初级线圈匝数，为 次级线圈匝数；为电容电压；匕为 整 流级输出电压。当二极管 处于导通状态，源五桥臂双输出处于如图 所示非直通状 态时，此时，系统五桥臂逆变级处于正常工作状态，五桥臂逆变 级等效 为一个电流 源。（）等 效电路图源等 效工作电路 当变压器和与电源共同给五桥臂逆变级输出端 供电可得 输入电压为：以錢丨而传 统源网络的升压因子为：（）（）（）在源五桥臂双输出中五桥臂逆变级将整流级电压转换成两个三相交 流加入源网络的目的是 为提高变换器的电压传输比，的逆 变级 为五桥臂结 构，其拓扑如图所示，个桥臂中有一个桥臂被 两个逆变 输出端 共用（如图阴影部分 所 示）。与传 统五桥臂逆变器不同，带源五桥臂逆 变级的两 个三相 输出分别都 有种工作 模 式：有 效 矢量状态、传统 零矢量状态、直通 零 矢量状 态。根据对 称 性可知两个逆变级对应 各自的种工作状态的等效电电独立输出。因此，源五桥臂双输出整流级在一个周期内输出两级直流电压，为得到两个 独立三相交流电源五桥臂双输出中逆变级，需在两 个直流电压下分别进行调 制，因此所采用半周期电压空间矢量调 制策略。源五桥臂双输出中源网络的电压传输比不仅与系统的占空比有 关，而且电压传 输比可以通过改变 变压器的匝数比来调一种 源五桥臂变换器结论在此将源网络结 构引入到五桥臂双输出中，提出 源五桥臂双输出拓扑，针对该 拓扑提出了适合该 拓扑结构的双空间矢量调制策略，分析该 拓 扑结构的工作模式。搭建了源五桥臂双输出的实验样机，并通过实验结 果表明，源五桥臂双输出双级矩阵变 换器具有下 列优点：源五桥臂双输出不仅具有传统五桥臂双输出优良输出特性，且克服了传统五桥臂双输出电压传 输比低的缺陷，提高了系统的电压传输比，为五桥臂双输出实用化消除了障碍；与常规源比较，源网络源网络结 构的电容电压应力更低，所需电容数 量更少，并可通过改变 变压器匝数比来调节输出电压 范围，具 有更高的电压传输比。参考文献，？，：刘嘉，梅杨，王莉娜，等五桥臂逆变器驱动双异步电机调速系统的调制方法研究电工电能新技术，（）：，（）：梅杨，常娜卿，王立鹏，等基于桥臂逆变器双电机矢量控制研究电气传动，（）：，（）：（格）（）整流级输出电压逆变 级输入电压（格）（）源电容电压图实验波形节，而传统源网络的 电压传输比只能通过调节占空比来调节。当变压器的匝数比；时，源与传统源网络的电压传输比相同；当时，在相同的调 制系数下准源 逆变器相比传统源逆变器有更高的升压比 因此相对于传统的源网络结 构，引入源至五桥臂双输出拓扑中，系统具 有更 高的 电压 传输比，更加 适用大 范围升压情况。假设源五桥臂双输出整 流 级参考矢量处于第扇区，每个周 期内整流级输出直流电压的平均值为：（）（）式中：为整流级调制系数为输入功 率因数角源五桥臂双输出逆变级和逆变级输出相电压的幅值为：），（）（）（；式中：，为逆变级和逆变级的放大倍 数。由式（）可得，源五桥臂双输出电压传输比不仅与占空比和调制系数有 关，而且可以通过变压器的匝数比调节电压传输比，通过公式可知源五桥臂双输出在引入源后电压传输比 己远 远超过了 的限制，甚至可达到无穷。实验搭 建以 和 为控制器源五桥臂双输出实验样机。实验参数：三相输入相 电压；准源的变压器匝数比为，初 级电感 为（，漏感为邱，电容 为；阻感负载电阻 为（，电感为；给定电压传 输比为。图为源五桥臂双输出输入相电压电流实验 波 形。可见，电压与电流具 有 相同的 相位，网侧的输入电流为正弦波，且输入功 率因数基本为，验证了源五桥臂双输出具有 优良的网侧 性能。图为源五桥臂双输出输出电压波形，两组三相输出电压约 为，而且由图可见，源五桥臂双输出两个逆变级可以实 现同频和不同频输出。图分别为源五桥臂双输出整流级输出电压和逆变级输入电压的波 形。可见，在通过源网络后 使得源五桥臂双输出整流级的输出电压明显提高，电压传输比明显提高了。（）逆 变器的相输出电压 （垄）