基于小波與單周控制的互容及有源阻抗變換器應(yīng)用與發(fā)展

高潮， 李純

（1. 深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào) ，廣東 深圳 518172； 2.深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子通信學(xué)院，廣東 深圳 518172）

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基于小波與單周控制的互容及有源阻抗變換器應(yīng)用與發(fā)展

高潮1， 李純2

（1. 深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào) ，廣東 深圳 518172； 2.深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子通信學(xué)院，廣東 深圳 518172）

摘 要：根據(jù)網(wǎng)絡(luò)理論中互感耦合電路的特點(diǎn)和作用，利用對(duì)偶原理，可以建立互容電路拓樸結(jié)構(gòu)、數(shù)學(xué)模型以及優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。同時(shí)，根據(jù)S.Cuk博士提出的應(yīng)用互感消除DC/DC變流器輸出電流紋波原理，研究在開關(guān)變流器中建立互容網(wǎng)絡(luò)，抑制電磁干擾和消除輸出電壓紋波，促進(jìn)電力電子裝置性能的完善和應(yīng)用并為網(wǎng)絡(luò)理論分析和設(shè)計(jì)創(chuàng)立一條新的途徑。單周控制技術(shù)在開關(guān)變流器中的最優(yōu)控制系統(tǒng)和技術(shù)特征，將其應(yīng)用于電力電子變流中，在電路結(jié)構(gòu)（采樣電路、驅(qū)動(dòng)電路等）和非線性特性建模方面找到與電力電子裝置的結(jié)合點(diǎn)，建立起優(yōu)化的控制系統(tǒng)及動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，這對(duì)提高功率變換裝置的總體水平和跟上電力電子技術(shù)的最新發(fā)展趨勢(shì)，具有理論價(jià)值和市場(chǎng)開發(fā)前景。

關(guān)鍵詞：小波技術(shù)；單周控制技術(shù)；互容網(wǎng)絡(luò)；開關(guān)變流；有源阻抗變換

1　小波分析控制技術(shù)的研究應(yīng)用

從上一個(gè)世紀(jì)的后半葉開始，包括西方主要科學(xué)家和中國(guó)之內(nèi)科學(xué)工作者都把基于小波與單周控制技術(shù)的互容及有源阻抗變換器研究應(yīng)用發(fā)展作為電力電子技術(shù)當(dāng)前的主要研究方向，同時(shí)也研究形成了一套有關(guān)分析理論和設(shè)計(jì)計(jì)算方法［1］-［4］。目前分析和設(shè)計(jì)的互容加LC組合變量器與互容器的概念就是小波與單周控制技術(shù)的互容及有源阻抗變換器研究應(yīng)用發(fā)展的主要體現(xiàn)和成功。通常而言互容器是一個(gè)既簡(jiǎn)單又非常實(shí)用的新型交流網(wǎng)絡(luò)元件（即互感器）一樣，既可以方便準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)變壓、變流，并且直觀上也是一個(gè)整體器件。但由此卻帶來了一個(gè)它更勝于常規(guī)變壓器的優(yōu)勢(shì)，它具有方波/準(zhǔn)正弦波的波形變換或波形隔離功能。上世紀(jì)七十年代后期出現(xiàn)了開關(guān)電容濾波器，它們都彼認(rèn)為一個(gè)特色就是電力電子開關(guān)顯著特點(diǎn)包含其中存在著受時(shí)間和系統(tǒng)狀態(tài)控制的獨(dú)立動(dòng)作的開關(guān)分析量。小波分析作為時(shí)間-頻率分析可以把開關(guān)控制量表示成如下函數(shù)

式（1）中T為開關(guān)周期，nT為一個(gè)周期內(nèi)開關(guān)的開通時(shí)間。在小波分析中有一個(gè)著名的Haar函數(shù)，可以根據(jù)其特色表示為

分析比較公式（1）與公式（2）可以明顯兩式之間是很相似的。采用基于小波與單周控制技術(shù)的互容及有源阻抗變換器研究應(yīng)用大容量的有源阻抗變換器濾波器。其框圖如圖1所示。

圖1　有源框圖結(jié)構(gòu)Fig.1 The block-construction diagram of power electronics

由于變換器內(nèi)部的開關(guān)動(dòng)作，其暫態(tài)響應(yīng)是間斷性的，屬于奇異信號(hào)。而小波變換具有“變焦距”性質(zhì)，它對(duì)信號(hào)的奇異性即奇異點(diǎn)的位置及奇異度的大小的分析十分有效，因此適當(dāng)選取允許小波后，以小波分析為工具可以找出描述有源阻抗變換器共性的特征以及變換器狀態(tài)變量的變化規(guī)律。為了方便使用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，使用二進(jìn)小波變換，二進(jìn)小波一定是一個(gè)允許小波，且

若A=B 時(shí)，有

二進(jìn)小波變換可寫為

傳統(tǒng)的阻抗完全定義在頻域中，為

該定義只能用于穩(wěn)態(tài)分析，對(duì)暫態(tài)的變化沒法描述?；谛〔ǚ治?，可寫出電壓為

電流為

建立起相關(guān)技術(shù)理論和分析設(shè)計(jì)研究的基礎(chǔ)上，綜合運(yùn)行其可以對(duì)其進(jìn)行仿真分析計(jì)算，仿真分析如圖2所示。

圖2　仿真波形（a）Fig.2 The waveform 1 of circuit（a）

圖3　仿真波形（b）Fig.3 The waveform 2 of circuit（b）

2　基于單周控制技術(shù)的有源開關(guān)阻抗變流器

圖4　有源功率因數(shù)校正AC/DC變流器電路拓?fù)銯ig.4 The power factor correct of AC to DC converter

圖5　單周控制技術(shù)的AC/DC-PFC變流器系統(tǒng)框圖Fig.5 The block-diagram power factor correct of AC to DC converter

單周期控制技術(shù)（One-Cycle Control是一種不需要乘法器的新穎控制方法，將這種控制方法應(yīng)用于功率因數(shù)校正是近年來一種新的嘗試。針對(duì)Boost PFC前置級(jí)研究的熱點(diǎn)，一是改善功率電路結(jié)構(gòu)，使之進(jìn)一步優(yōu)化完善，并提出對(duì)功率因數(shù)校正主電路采用帶有源浮充平臺(tái)的CCM Boost型功率因數(shù)校正變換器；二是控制技術(shù)簡(jiǎn)單化和高效化，根據(jù)S.Cuk博士提出的應(yīng)用互感消除DC/DC變流器輸出電流紋波原理，研究在開關(guān)變流器中建立互容網(wǎng)絡(luò)，抑制電磁干擾和消除輸出電壓紋波，促進(jìn)電力電子裝置性能的完善和應(yīng)用并為網(wǎng)絡(luò)理論分析和設(shè)計(jì)創(chuàng)立一條新的途徑。

單周控制技術(shù)的有源功率因數(shù)校正AC/DC變流器系統(tǒng)控制框圖，vm，vs為輸入信號(hào)，q，qn端為輸出信號(hào)端，其中由q端信號(hào)控制主電路有源開關(guān)器件，qn端信號(hào)控制復(fù)位開關(guān)rs的開通與關(guān)斷。假設(shè)積分器的時(shí)間常數(shù)Ti與時(shí)鐘周期Ts（即開關(guān)周期）一致，選用與非門或者或非門的RS觸發(fā)器，每個(gè)開關(guān)周期由恒頻時(shí)鐘CLK啟動(dòng)，當(dāng)時(shí)鐘脈沖到來的時(shí)候，即S為高電平，信號(hào)vs小于vm，則R為低電平，所以RS觸發(fā)器的q端變?yōu)楦唠娖?，qn端變?yōu)榈碗娖剑瑥?fù)位開關(guān)rs關(guān)斷，積分器開始對(duì)其輸入信號(hào)vm進(jìn)行積分，比較器Comp的反相端電壓v2減小，同相端電壓vs增大。

圖6　單周控制電路原理圖Fig.6 The power control circuit converter

圖7　電路工作波形圖Fig.7 The working wave form of converter

3　互容及有源阻抗變換器的分析應(yīng)用與研究

在本小節(jié)中我們根據(jù)“互容”及“互容網(wǎng)絡(luò)”概念，由互感理論和對(duì)偶原理，可以闡述和討論等效的互容和互容網(wǎng)絡(luò)，并對(duì)互容網(wǎng)絡(luò)自身的特點(diǎn)、優(yōu)化的電路參數(shù)、實(shí)際應(yīng)用價(jià)值等方面進(jìn)行研究，以便建立起互容網(wǎng)絡(luò)理論和互容網(wǎng)絡(luò)綜合設(shè)計(jì)方法，這是網(wǎng)絡(luò)理論中的一個(gè)新概念、新思想和新方法。S.Cuk博士應(yīng)用互感電路實(shí)現(xiàn)開關(guān)變流器輸出電流零紋波；在此基礎(chǔ)上，將互容網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于DC/ DC開關(guān)變流器中，抑制尖峰干擾、消除電壓電流紋波，這突破了傳統(tǒng)的依靠共模電感線圈與電容構(gòu)成濾波器的方法。開關(guān)變流器是一個(gè)很大的尖峰干擾源和噪聲源，無論對(duì)供電電網(wǎng)或設(shè)備本身都存在較大危害，S.Cuk教授在解決開關(guān)變流器的這些問題時(shí)，提出了利用輸入端與輸出端電感進(jìn)行耦合、調(diào)節(jié)耦合參數(shù)降低電流紋波的設(shè)計(jì)方法，并取得很好效果。根據(jù)S.Cuk得出的結(jié)論，將互感耦合電路由互容網(wǎng)絡(luò)等效取代，通過互容網(wǎng)絡(luò)中電場(chǎng)電荷量的動(dòng)態(tài)變化和調(diào)節(jié)，起到了降低輸出電壓電流紋波至零，以及徹底切斷電磁干擾的耦合通道，抑制尖峰干擾和噪聲的雙重效果。可以預(yù)料，為實(shí)現(xiàn)綠色電網(wǎng)，在不久的將來，局部電網(wǎng)的終端變壓器與直流輸電的換流變壓器都將采用互容開關(guān)網(wǎng)格變壓器，而不論其負(fù)載是否是整流設(shè)備。盡管是新科技產(chǎn)品，但優(yōu)勢(shì)在于采用了新原理，所以其設(shè)計(jì)與制造都絕對(duì)不象傳統(tǒng)脈波移相型原理的整流變壓器那么復(fù)雜。仿真研究中，用作Y形聯(lián)接；用于輸入電壓 V1 = 120V/60Hz，輸出電壓 V2 = 15V/2A，作降壓變壓器 （V1/V2 = 8）。制作要求L1和L2的線性度要好，內(nèi)電阻盡可能小。此互容器除了不能電隔離，若需要可以在輸入或輸出端級(jí)聯(lián)一個(gè)常規(guī)變壓器。在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)完全準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)變壓，有功傳輸效率也是比較高的互容器滿載輸出標(biāo)準(zhǔn)對(duì)稱的方波電流，則計(jì)算與測(cè)試的結(jié)果比較接近：若以I 1k /I11表示輸入端k次諧波與基波有功電流的幅值比，則I 13 /I11 = 3.33%，I 15 /I11 = 0.71%，I17 /I11 = 0.26%；若對(duì)比輸出端有 I 23 /I21 = 33.3%，I 25 /I21 = 20%，I27 /I21 = 14.3%；波形變換/隔離功能就已經(jīng)很好了?；ト葑儔浩髋c互感變壓器的對(duì)比說明，互容變壓器的結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，它和普通常用的互感變壓器有本質(zhì)的區(qū)別：互感變壓器的工作原理是互感耦合即電磁耦合傳遞能量；互容變壓器的本質(zhì)是互容耦合即電場(chǎng)耦合傳遞能量，在互容器原理上實(shí)現(xiàn)的LC組合變量器的設(shè)計(jì)中引入了互感器只是為了實(shí)現(xiàn)一次和二次側(cè)的電隔離；互容變壓器本身不能實(shí)現(xiàn)電隔離，互容變壓器如果不需要電隔離特性--- 即自耦變壓，體積和成本會(huì)進(jìn)一步下降，效率更為上升。 互感變壓器的磁路是全鐵芯磁路，互感變壓器力求實(shí)現(xiàn)全耦合（k =1）；互容變壓器或LC組合變量器中的互感器磁路是氣隙鐵芯磁路，它的耦合系數(shù)k<1?；ジ凶儔浩鲗?duì)工作頻率的依賴性不大；理論上的互容變壓器也不依賴工作頻率，但實(shí)現(xiàn)大功率傳輸尚有困難。目前在功率傳輸中采用的互容變壓器，其工作受頻率制約的關(guān)系式為ω2LC=1，是互容變壓器得以實(shí)現(xiàn)的基本關(guān)系。適合作整流變壓器用途的互容變壓器，其輸出端電流是非正弦波例如方波，其輸入端電流將仍基本保持為正弦波形；稱互容器的電流波形準(zhǔn)正弦波/方波變換特性。對(duì)電網(wǎng)污染改善有積極作用；符合國(guó)家“底炭、環(huán)?！钡囊?。

4　結(jié)語(yǔ)

最后，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)理論中互感耦合電路的特點(diǎn)和作用，利用對(duì)偶原理，闡述了互容及互容網(wǎng)絡(luò)的新概念，建立互容電路拓樸結(jié)構(gòu)、數(shù)學(xué)模型以及優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。同時(shí)，應(yīng)用互感消除DC/DC變流器輸出電流紋波原理，研究在開關(guān)變流器中建立互容網(wǎng)絡(luò)，抑制電磁干擾和消除輸出電壓紋波，促進(jìn)電力電子裝置性能的完善和應(yīng)用并為網(wǎng)絡(luò)理論分析和設(shè)計(jì)創(chuàng)立一條新的途徑。這對(duì)提高功率變換裝置的總體水平和跟上電力電子技術(shù)的最新發(fā)展趨勢(shì)，具有理論價(jià)值和市場(chǎng)開發(fā)前景。

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【責(zé)任編輯：楊立衡】

【信息技術(shù)理論研究】

High-performance switching converter based on active floating-charge and one-cycle control technology——Analysis， Design and Circuit Experiment

GAO Chao1， LI Chun2
（1. Journal Editorial Department ， Shenzhen Institute of Information Technology， Shenzhen 518172， China； 2.School of Electronic Communication Techonology， Shenzhen Institute of Information Technology， Shenzhen 518172， China）

Abstract:This paper analyzes and discusses topology of single-phase CCM and DCM Boost-switching converter. Specific to disadvantages of high switching pressure and output voltage of single-phase CCM Boost converter， this paper presents CCM Boost PFC converter with active floating charge landing （FCL）， and expounds its operating priciple and control method. Based on this， and combining control method principle of one-cycle control technology，this paper presents a new type of AC/DC switching converter circuit for power factor correction. This type of onecycle control PFC converter has such advantages as simple structure， high control precision， quick response time， and especially， non-sensitivity of its control perforamce to changes of system and power supply parameters.

Keywords:active floating charge；one cycle control technology； power factor correction； switching converter

中圖分類號(hào)：TM46

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-6332（2016）01-0007-04

［收稿日期］2015-12-21

［作者簡(jiǎn)介］高潮（1958-），男（漢），四川仁壽縣人，博士，教授，主要研究方向：半導(dǎo)體材料和器件及光機(jī)電一體化。E-mail：gaoc@sziit.com.cn