時鐘交錯定頻積分控制的三電平交流斬波器

王立喬， 劉青

（燕山大學(xué)電力電子節(jié)能與傳動控制河北省重點實驗室，河北秦皇島 066004）

0 引言

交流斬波器作為一種直接AC-AC變換電路，具有輸入電流為正弦波、網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)高、濾波器尺寸小以及功率密度高等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于工業(yè)加熱、燈光控制、異步電機軟啟動及調(diào)速等領(lǐng)域［1－2］。而在高壓大容量場合，如大容量交流傳動系統(tǒng)、非隔離電力電子變壓器［3］等，傳統(tǒng)的交流斬波器拓撲不再適用;這是因為電力電子器件的電壓等級無法滿足裝置耐壓等級的要求。多電平技術(shù)是解決這一問題的有效辦法。多電平變流器［4－5］可以直接輸出高電壓而無需變壓器或電抗器，也沒有器件直接串、并聯(lián)帶來的串聯(lián)均壓、并聯(lián)均流問題，因此成為高壓大容量電力電子裝置中最具發(fā)展前景的拓撲結(jié)構(gòu)。同時，多電平技術(shù)用較多的電平數(shù)去逼近所希望得到的波形，可以使輸出電壓或電流的質(zhì)量大大提高、諧波含量減小，開關(guān)頻率也可以相應(yīng)降低。

多電平技術(shù)在逆變、整流及 DC-DC變換［6－11］等方面的應(yīng)用已經(jīng)相當廣泛，而對于其在交流斬波器中的應(yīng)用并不多見。在不多的幾篇文獻［12－13］中，也僅限于對其拓撲結(jié)構(gòu)和工作原理的研究。這對于多電平斬波器的推廣應(yīng)用是不利的。本文對多電平交流斬波器的閉環(huán)控制進行了深入的分析和研究，提出了基于時鐘交錯的定頻積分控制策略，實現(xiàn)了多電平交流斬波器的閉環(huán)控制。

二電平交流斬波器的閉環(huán)控制多采用PI控制［14］，包括電壓瞬時值PI控制和電壓平均值PI控制，其缺點是動態(tài)響應(yīng)慢，魯棒性能差，調(diào)節(jié)能力弱。采用單周期控制或定頻積分控制［15－16］可以有效地解決上述問題。當然，對于多電平交流斬波器，還需要對定頻積分控制進行一些擴展和改造，才能適用于新的拓撲結(jié)構(gòu)。本文在對一種單相三電平交流斬波器工作原理深入分析的基礎(chǔ)上，提出了適用于其拓撲結(jié)構(gòu)和工作原理的新型控制策略，即時鐘交錯的定頻積分控制，實現(xiàn)了對單相三電平交流斬波器的閉環(huán)控制。

1 工作原理

單相三電平交流斬波器電路的拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示，它包括4個雙向開關(guān)、浮動電容C1、濾波電感L和濾波電容C。S1，S2，S3，S4分別為4個雙向開關(guān)管，每個雙向開關(guān)管分別由2個全控型器件反向串聯(lián)組成。文獻［12］對其4種工作模式進行了詳細介紹，如表1所示:設(shè)定開關(guān)導(dǎo)通狀態(tài)設(shè)為“1”，開關(guān)關(guān)斷狀態(tài)設(shè)為“0”。根據(jù)這種三電平交流斬波器的構(gòu)造方法，可以構(gòu)造出電平數(shù)更多的交流斬波器;基本的構(gòu)造規(guī)律是n電平交流斬波器需要2（n－1）個雙向開關(guān)，n（n－3）/2+1 個浮動電容［4］。

圖1 單相三電平PWM交流斬波器拓撲Fig.1 Single phase three-level PWM AC chopper topology

表1 三電平交流斬波器的四種工作模式Table 1 Four operation modes of three-level AC chopper

當電路工作狀態(tài)在模式1、模式2和模式4之間切換時，輸出電壓波形在Uin/2和Uin之間變化，如圖2（a）所示。當電路工作狀態(tài)在模式1、模式2和模式3之間切換時，輸出電壓波形在0和Uin/2之間變化，如圖2（b）所示。要達到如圖2所示的理想波形，需要對一個周期內(nèi)電路的工作狀態(tài)進行合理的分配。

圖2 輸出電壓波形Fig.2 Output voltage waveform

2 控制方式

當要求輸出電壓幅值大于Uin/2時，采用的控制方案為:使電路的工作狀態(tài)在工作模式1、工作模式2和工作模式4之間切換。其4個開關(guān)管的觸發(fā)脈沖如圖3（a）所示。電路工作過程如下:開始，使電路工作在模式 4，開關(guān) S1、S2開通，S3、S4關(guān)斷，電源把電能傳遞給負載，當輸出電壓達到某一給定時，開關(guān)S2關(guān)斷，開關(guān)S3開通，電路轉(zhuǎn)入模式1工作，此時電源給浮點電容充電。經(jīng)過半個周期后，電路又轉(zhuǎn)入模式4工作，此時電源又通過開關(guān)S1、S2把電能傳遞給負載。當輸出電壓達到某一定值時，開關(guān)S1關(guān)斷，S4導(dǎo)通，此時，電路轉(zhuǎn)入模式2工作，浮點電容開始放電，把電能傳遞到負載。通過改變S2、S1的脈沖寬度可以改變模式4的工作時間，進而改變模式1和模式2的工作時間，最終改變輸出電壓的大小。

圖3 各開關(guān)管驅(qū)動脈沖信號Fig.3 Trigger pulse signal of each switch

當要求輸出電壓小于Uin/2時，采用的控制方案為:使電路的工作狀態(tài)在工作模式1、工作模式2和工作模式3之間切換。其4個開關(guān)管的觸發(fā)脈沖如圖3（b）所示。工作原理分析如下，開始，使電路工作在模式1，即開關(guān)管 S1、S3導(dǎo)通，開關(guān)管 S2、S4關(guān)斷。電源給浮點電容充電，并把電能傳遞給負載，當輸出電壓達到某一給定值時，開關(guān)S1關(guān)斷，S4導(dǎo)通，電路轉(zhuǎn)入模式3工作，此時電感上的電流通過開關(guān)管S3、S4續(xù)流，電感電流減小。經(jīng)過半個開關(guān)周期之后，開關(guān)S2導(dǎo)通，S3關(guān)斷，浮點電容開始放電，電路工作在模式2，將電能提供給負載，當輸出電壓達到某一給定值時，開關(guān)S2關(guān)斷，S3導(dǎo)通，此時電路又轉(zhuǎn)入模式3工作。當一個周期結(jié)束后，又開始工作在模式1，如此周而復(fù)始?？梢酝ㄟ^改變S1、S2的脈沖寬度，進而改變模式1的工作時間和模式2的工作時間，最終改變輸出電壓的大小。

在穩(wěn)態(tài)情況下，浮動電容上的電壓保持基本恒定，在一個開關(guān)周期Ts內(nèi)，電容充放電時間保持相等，即模式1和模式2的工作時間相等。

通過對比分析可知，上述兩種情況有如下共同點:開關(guān)管S1與S4的驅(qū)動脈沖互補，開關(guān)管S2與S3的驅(qū)動脈沖互補，而且開關(guān)管S1與S2的驅(qū)動脈沖相差Ts/2。不同之處為各開關(guān)管的脈沖寬度。

3 閉環(huán)控制

對于交流斬波器的閉環(huán)控制，傳統(tǒng)上有兩種:電壓瞬時值PI控制和電壓平均值PI控制。普通的電壓瞬時值PI控制屬于線性控制，應(yīng)用在AC/AC變換中，帶寬有限，無法完全消除靜差，動態(tài)性能差，調(diào)節(jié)能力弱。電壓平均值PI控制雖然能夠消除靜差，卻附加了平均值提取的電路，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，增加了系統(tǒng)的慣性;尤其是當輸入電壓或負載產(chǎn)生突變時，系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度就會更慢。

定頻積分控制作為一種非線性控制方式，解決了傳統(tǒng)控制方式中存在的問題，具有動態(tài)響應(yīng)快，跟隨性能好，調(diào)節(jié)能力強，結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，其工作原理如圖4所示。

圖4 定頻積分控制原理圖Fig.4 Principle diagram of constant frequency integration control

控制電路需要產(chǎn)生4路信號，這4路信號可分為2組，每組中的2個信號互補，并與另外一組中對應(yīng)的信號各相差Ts/2。由于普通的定頻積分器只能產(chǎn)生2個互補的信號，因而不能直接應(yīng)用于本電路中。為此，本文提出基于時鐘交錯的定頻積分控制，用來實現(xiàn)對三電平交流斬波器的閉環(huán)控制，電路結(jié)構(gòu)如圖5所示:采用2個結(jié)構(gòu)完全相同的定頻積分器，并使2個定頻積分器的時鐘脈沖的上跳沿相差Ts/2，這樣每個定頻積分器獨立控制2路信號，完成了對三電平交流斬波器4個開關(guān)管的有效控制。

從圖5可以看出，采用時鐘交錯定頻積分控制的三電平交流斬波器，結(jié)構(gòu)非常簡單;與通常的AC/AC變換器閉環(huán)控制策略相比，控制電路沒有絕對值轉(zhuǎn)換電路或平均值提取電路。時鐘交錯的定頻積分控制集控制與調(diào)制于一身，在完成閉環(huán)控制的同時，得到各器件的觸發(fā)脈沖信號，無需PI控制中的載波發(fā)生電路。2個定頻積分控制器相互獨立，無輸出占空比限制，也無需通過分頻器實現(xiàn)各開關(guān)信號的定相，可實現(xiàn)輸出電壓的全范圍調(diào)節(jié)。時鐘交錯的定頻積分控制通過將時鐘信號錯開半個開關(guān)周期，將定頻積分控制擴展應(yīng)用于三電平交流斬波器。這個方法可以方便推廣到電平數(shù)更高的場合，對于n電平交流斬波器，需要n－1個定頻積分控制器，各個定頻積分控制器的時鐘脈沖依次錯開1/（n－1）個開關(guān)周期;這就實現(xiàn)了n電平交流斬波器的時鐘交錯定頻積分控制。

圖5 時鐘交錯定頻積分控制的三電平交流斬波器原理Fig.5 Principle diagram of clock-interleaved constant frequency integration controlled three-level AC chopper

4 仿真和實驗結(jié)果

4.1 仿真結(jié)果

本文采用仿真軟件對三電平交流斬波器的工作情況做了電路仿真，仿真參數(shù)如下:電源電壓220 V/50 Hz，浮點電容為 2.0 μF，濾波電感為2 mH，濾波電容為 2.5 μF，輸出電阻為 40 Ω，開關(guān)頻率為40 kHz。

仿真結(jié)果如圖6所示。圖6為浮動電容上的電壓波形，由于存在電容充放電過程，所以電容電壓產(chǎn)生波動，通過適當選取電容值，使其基本達到穩(wěn)定。

圖7為輸出電壓Uo、斬波電壓Up和輸出電流Io的波形。從圖7（a）可以看出，斬波電壓是在Uin/2～Uin之間變化，輸出電壓為大于Uin/2。而在圖7（b）中，斬波電壓在0～Uin/2之間變化，輸出電壓為小于Uin/2。從圖7還可以看到，系統(tǒng)從啟動到穩(wěn)態(tài)輸出的過渡過程不到1 ms。在17 ms，負載由半載突增為滿載;在42 ms，負載由滿載突減到半載;系統(tǒng)均在1 ms之內(nèi)從新達到穩(wěn)態(tài)。由此可知，系統(tǒng)的響應(yīng)速度很快。從輸出電壓、電流波形，也可以看出其正弦度非常高，諧波品質(zhì)優(yōu)良。

圖6 浮動電容上電壓波形Fig.6 Voltage waveform of flying capacitor

圖7 輸出電壓Uo、斬波電壓Up和輸出電流IoFig.7 Output voltage，chopped voltage and output current

4.2 實驗結(jié)果

為了驗證理論分析和仿真研究的準確性，進行了實驗研究，參數(shù)與仿真參數(shù)一致。圖8分別給出的是兩種不同情況下開關(guān)器件S1和S2的觸發(fā)脈沖，驗證了前面理論分析的正確性。實驗結(jié)果同時表明，時鐘交錯的定頻積分控制可以實現(xiàn)占空比的自動調(diào)節(jié)，就是說采用時鐘交錯的定頻積分控制即可以實現(xiàn)低于50%的占空比輸出，也可以輸出實現(xiàn)高于50%的占空比輸出，也就是說輸出占空比理論上可以從0～100%滿幅調(diào)節(jié);而采用其他控制器時，如分頻器方案時，高于50%的占空比輸出與低于50%的占空比輸出對應(yīng)的邏輯關(guān)系不同，在占空比輸出的同時，必須增加模式切換環(huán)節(jié)，才能實現(xiàn)滿幅調(diào)節(jié)，時鐘交錯的定頻積分控制則只用一套控制邏輯即可實現(xiàn)滿幅調(diào)節(jié)。

圖8 S1和S2驅(qū)動脈沖Fig.8 Trigger pulse of S1and S2

圖9分別給出的是兩種不同情況下輸出電壓與斬波電壓的波形，可以看出與前面理論分析和仿真研究的結(jié)果完全一致。

圖10給出的是當Uin/2≤Uo≤Uin時，輸出電壓的頻譜，可見其諧波含量極低，實測總諧波畸變率僅為2.64%，說明交流斬波器的輸出波形正弦度非常高。當0≤Uo≤Uin/2時，輸出電壓的頻譜與圖10類似。

圖11給出的是當Uin/2≤Uo≤Uin時，負載從半載向滿載切換時輸出電壓與輸出電流的波形。從圖中可見，系統(tǒng)的動態(tài)過渡過程時間非常短，與圖7（a）的仿真結(jié)果基本一致。

圖9 輸出電壓Uo和斬波電壓UpFig.9 Experimental output voltage and chopped voltage

圖10 Uin/2≤Uo≤Uin時，輸出電壓的頻譜Fig.10 Output voltage spectra when Uin/2≤Uo≤Uin

圖11 系統(tǒng)從半載向滿載切換時的動態(tài)波形Fig.11 Dynamic waveform from half load to full load

5 結(jié)語

本文分析了基于浮動電容均壓方式的三電平交流斬波器的工作原理及控制方式，對比分析了各種閉環(huán)控制方式的優(yōu)缺點，并通過采用時鐘交錯的定頻積分控制方式，將三電平交流斬波器的兩種工作情況統(tǒng)一起來，使得輸出電壓得到滿幅調(diào)節(jié)，并且通過仿真和實驗，證實了這種控制方式的可行性。

仿真和實驗結(jié)果同時證明，時鐘交錯的定頻積分控制具有結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，動態(tài)響應(yīng)速度快，輸出波形品質(zhì)好等優(yōu)點。時鐘交錯的定頻積分控制不僅可以應(yīng)用到本文所提到的三電平交流斬波器中，也可以應(yīng)用于其他結(jié)構(gòu)的三電平交流斬波器中。對于更高電平數(shù)的電路拓撲，這種控制方式也很容易擴展，有很大的應(yīng)用前景。

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（編輯:劉素菊）