一種三電平BOOST-PFC結構的正弦波恒流調光器的技術研究

張可貴，鐘 浪，董志強，柳 明，歐陽暉

一種三電平BOOST-PFC結構的正弦波恒流調光器的技術研究

張可貴1，鐘 浪1，董志強1，柳 明2，歐陽暉2

（1. 中國核工業(yè)二三建設有限公司，北京 101300；2. 武漢第二船舶設計研究所，武漢 430064)

介紹恒流調光技術的發(fā)展及趨勢，介紹一種新型三電平升壓型功率因數(shù)校正（BOOST-PFC）結構的正弦波恒流調光技術，并在Matlab/Simulink仿真軟件中搭建了該技術調光器主電路。仿真結果表明，相比傳統(tǒng)的H橋交-直-交變換型正弦波恒流調光器，本文研究的恒流調光器具有效率高，功率因數(shù)高，諧波小，成本低等優(yōu)點。

正弦波 恒流調光器 交-直-交變換 三電平 BOOST-PFC 助航調光器

0 引言

機場助航燈光系統(tǒng)是在夜間和能見度受限制的情況下為飛機駕駛員提供跑道位置、方向和對正引導，以便駕駛員在目視可達的情況安全著陸[1]。機場助航燈光系統(tǒng)主要包括恒流調光器、高壓切換柜、在線絕緣電阻監(jiān)測模塊以及集中監(jiān)控系統(tǒng)等[2]，本文主要對恒流調光器進行研究。

1 恒流調光技術的發(fā)展趨勢

目前國內外機場現(xiàn)行使用的恒流調光器還是以傳統(tǒng)的晶閘管恒流調光器為主，但根據(jù)現(xiàn)在助航系統(tǒng)燈具LED燈的應用[3～4]以及變流器的性能指標分析，新一代的正弦波恒流調光器必將是未來的發(fā)展趨勢。

從應用對象——助航燈的發(fā)展上看，隨著節(jié)能低碳理念的深入，以及飛行保障對助航燈光系統(tǒng)安全穩(wěn)定性能的要求，半導體發(fā)光二極管(LED)燈具與傳統(tǒng)的白熾燈、鹵鎢燈相比具有壽命長、節(jié)能高效、發(fā)光顏色多樣、體積小、適應環(huán)境廣以及便于控制等諸多優(yōu)點，在國內外民航機場助航燈光系統(tǒng)中已得到推廣應用，并有逐步取代傳統(tǒng)鹵鎢燈的趨勢[5]。鑒于LED的半導體特性，以及對電流諧波的要求，現(xiàn)有的晶閘管調光器是不可行的，唯一的解決辦法就是與之匹配的正弦波恒流調光器[6]。

從性能指標上看，晶閘管恒流調光器是基于相控技術的變流裝置，其輸出中諧波含量很高，致使電網電能質量下降，同時加快了導線老化，并對燈光系統(tǒng)周圍的通訊等設備產生干擾，降低了機場系統(tǒng)運行的可靠性[7]。而采用高速開關器件的正弦波恒流調光器輸出波形品質好，諧波小，可延長助航燈具光源使用壽命；功率因數(shù)高、諧波小，無需專項電網治理；整體效率高，節(jié)省成本；噪音低，污染小；智能程度高、可靠性高、維修性好[8]，在性能上有明顯優(yōu)勢。

根據(jù)最新調查，青島新機場以及北京大興國際機場中明確指定調光器使用正弦波調光器，從中可以看到正弦波調光器將逐漸走進市場。

通過上面分析，機場調光器未來將是正弦波恒流調光器的方向，近年來國內外調光器廠家正在積極推進正弦波恒流調光器的研發(fā)。其中國外ADB Safegate公司走在前面，其研發(fā)的VIS系列、CER系列的正弦波調光器采用了交-直-交拓撲結構，IDM 9000型正弦波調光器采用了交-交斬波結構。在國內最早研發(fā)正弦波調光器的廠家西安愛科，其在2009年研制的S1系列正弦波調光器采用了交-交斬波結構。國內調光器市場占比最大的大連電子所（大連宗益）也在2012年研制了自己的正弦波調光器CCR-2100S。

2 現(xiàn)有恒流調光器種類

傳統(tǒng)雙向晶閘管相控調光器拓撲如圖1所示，其優(yōu)點為結構簡單，技術成熟，穩(wěn)定可靠，缺點為輸出波形為移相波形，功率因數(shù)低、諧波含量豐富，電流波峰系數(shù)大，影響助航燈具壽命，噪聲大，電磁干擾嚴重[9]。正弦波調光器與晶閘管相控調光器相比，在輸出電流波形的品質上有明顯的優(yōu)勢。

圖1 雙向晶閘管相控恒流調光器

現(xiàn)有的正弦波調光器主要有三種結構：一種是可控鐵磁諧振正弦波調光器，如圖2所示；第二種是交-直-交方案，如圖3所示；第三種是交-交斬波正弦波調光器，如圖4所示。

圖2 可控鐵磁諧振正弦波恒流調光器

圖3 交-直-交拓撲的正弦波恒流調光器

圖4 交-交斬波正弦波恒流調光器

在正弦波調光器的幾種電路中，可控鐵磁諧振正弦波恒流調光器其體積大、噪音高，輸出波形質量沒有全控型器件IGBT式調光器好，本文重點研究交-直-交和交-交斬波正弦波調光器。

交-直-交和交-交斬波正弦波調光器各有優(yōu)劣。從性能上分析，采用交-交斬波技術是一種直接將交流變交流的技術，而交-直-交技術有整流和逆變兩級變換，因此在功率因數(shù)、諧波含量、波形品質以及效率上，交-交斬波技術性能更好。成本上，交-直-交結構使用的開關器件多，且有支撐電容，因此體積大，成本更高；交-交斬波結構硬件結構簡單、體積小、成本低。從可靠性上分析，交-交斬波電路沒有自然的續(xù)流通道，在換流時為了不損壞電路，需通過軟件設計專門的續(xù)流控制電路[10]，當軟件檢測失誤時將出現(xiàn)不可恢復的問題，影響可靠性；交-直-交電路通過反并二極管和母線電容構成自然續(xù)流通路，不需要進行續(xù)流控制，可靠性更高。

在工程實際中設備的可靠性是最先考慮的因素，當可靠性滿足要求后，再從性能和成本上優(yōu)化設計。本文從工程實際的角度考慮，對可靠性滿足設計要求的交-直-交拓撲的正弦波恒流調光器進一步優(yōu)化，研究了一種性能更優(yōu)、成本更低的正弦波恒流調光器。

3 新型正弦波恒流調光器

本文引入了三電平BOOST型PFC電路替換圖3中H橋整流電路，研究了一種基于三電平BOOST-PFC的正弦波恒流調光器，其主電路拓撲結構如圖5所示。

圖5 三電平BOOST-PFC型正弦波恒流調光器

采用三電平BOOST-PFC結構，相比于H橋整流電路，開關器件數(shù)量是其一半，對于電力電子設備，開關器件的數(shù)量是影響成本和設備效率的直接因素，因此通過該結構即降低了設備的成本，又提高了設備效率。另外采用三電平拓撲，通過兩個開關器件同時分擔直流母線電壓，從而減小了開關器件承受電壓的應力[11]，因此在器件選型時，可選擇耐壓值更低的器件型號；同時三電平結構成倍增大等效開關頻率，能夠降低磁性元件的大小[12]，進一步節(jié)省設備成本。

3.1 電路工作原理

三電平BOOST-PFC型正弦波恒流調光器電路的前級整流電路為三電平BOOST-PFC結構，后級逆變電路為傳統(tǒng)的H橋結構。交流輸入電壓u通過輸入LC濾波電路和升壓型PFC電路得到穩(wěn)定的直流電壓U，同時PFC電路對輸入側功率因數(shù)進行矯正控制，使輸入電流i和輸入電壓u達到同相位[13]，即功率因數(shù)為1。H橋逆變電路和輸出LC濾波電路將直流電壓逆變成交流電壓，同時以輸出電流有效值為控制目標，通過電流有效值控制，輸出恒定的電流。

采用三電平BOOST電路進行功率因數(shù)校正時，兩個開關器件Q1、Q2的相差保持為180°。隨交流輸入電壓u瞬時值的變化，Q1、Q2的驅動有不同的模式，如圖6所示。

圖6（a）中，當輸入交流電壓整流值|i|小于1/2的直流母線電壓dc時，1、2的驅動占空比大于0.5。兩個開關器件的驅動狀態(tài)對應的主電路4種模態(tài)，如圖6（a）中①、②、③、④所示，在這4種模態(tài)下電感電壓L在|i|和|i|-(dc/2)之間變化。

圖6(b)中，當輸入交流電壓整流值|i|大于1/2的直流母線電壓dc時，1、2的驅動占空比小于0.5。兩個開關器件的驅動狀態(tài)對應的主電路4種模態(tài)，如圖6(b)中①、②、③、④所示，在這4種模態(tài)下電感電壓L在|i|-(dc/2)和|i|-dc之間變化。

圖6 三電平BOOST-PFC電路驅動模態(tài)

后級H橋逆變電路的有效工作狀態(tài)如圖7所示。當開關管5和8導通，7和6關斷時，直流電流經5，逆變側LC濾波電路和8，產生正向電流；當開關管7和6導通，5和8關斷時，直流電流經7，逆變側LC濾波電路和6，產生反向電流，可將直流變換成交流。

圖7 逆變電路

3.2 控制器設計

1）帶均壓控制的整流控制設計

圖8 整流控制器

在PFC整流電路中，通過直接電流控制方式[14～15]控制升壓電感電流i(t)跟蹤參考電流i(t)*。假設輸入電流i()達到了單位功率因數(shù)，且無畸變，則其相位與電壓u相位保持一致，且為正弦波，即：

當輸入電流經不控整流電路后，變?yōu)椤梆z頭”波，則流經升壓電感2和開關器件的參考電流i(t)*為：

在整流器的控制策略中，采用電壓、電流雙閉環(huán)控制，其中電壓控制環(huán)為外環(huán)，主要控制直流側電壓穩(wěn)定且達到給定值dc*；電流控制環(huán)為內環(huán)，主要控制電感電流達到單位功率因數(shù)。在圖8控制器中，直流母線電壓dc與給定電壓dc*作差后得到誤差值Δdc，然后經PI控制器得到電感電流L*，L*與輸入電壓鎖相后的信號相乘，并取絕對值后，得到電感參考電流i(t)*。實際電流i(t)與參考電流i(t)*作差后得到誤差值Δi(t)，其經過比例放大后，得到調制信號com。1、2交錯導通和關斷，圖8中PWM1和PWM2信號的相角差180°。

本文研究的電路用到了三電平結構，需要控制兩個電容電壓均衡，因此控制器中還需增加均壓控制。分析圖5中的PFC整流電路，電容電壓變化方向與其對應開關占空比變化方向相反。設計的均壓策略為在調制信號com上增加電流調節(jié)量Δ，對電壓高的電容，對應開關管的調制信號增加調節(jié)量Δ，電壓低的電容，對應開關管的調制信號減去調節(jié)量Δ。在圖8控制器中，將兩個電容電壓U1和U2做差后經過PI控制器得到電流調節(jié)Δ，由于Δ為有正負方向的變量，因此Q1的調制波為com+Δ，Q2的調制波為com-Δ，即可實現(xiàn)電容的均壓控制。

2）逆變控制設計

圖9為逆變控制器的實現(xiàn)框圖，其采用電流有效值和電壓瞬時值控制的雙閉環(huán)控制，電流有效值作為控制器的外環(huán)，控制輸出電流有效值達到給定值I，電壓瞬時值控制作為控制器的內環(huán)，控制輸出電壓達到穩(wěn)定。

圖9 逆變控制器

在控制器中，輸出電流i通過實時效值計算模塊得到電流有效值i， i與給定有效值命令I作差得到誤差信號Δi，誤差信號Δi經過PI控制器調節(jié)后得到輸出電壓的幅值U*，輸出電壓的幅值U*與鎖相后的信號相乘得到輸出電壓參考值U*sin。輸出電壓u(t)跟蹤電壓參考值U*sin，其與參考值U*sin作差后通過比例積分調節(jié)得到調制波com，最后通過單極性調制得到PWM信號作用于開關器件。

4 仿真驗證

在Matlab/Simulink仿真軟件中搭建如圖5所示的三電平BOOST-PFC型正弦波恒流調光器主電路，對上述設計的控制器進行仿真，仿真參數(shù)為：調光器的交流輸入電壓有效值為U=380 V，頻率=50 Hz，輸出電流有效值恒定oN=6.6 A，輸出變壓器變比k=12，結果如下。

1）靜態(tài)仿真

在輸出恒流控制模式下，仿真結果分別如圖10、圖11所示。通道1為輸入電壓電流波形，通道2為兩個直流母線電容電壓波形，通道3為直流母線電壓波形，通道4為輸出電流波形。圖11為通過FFT分析的輸入輸出電流的THD。

圖10 靜態(tài)仿真波形

可以看到，穩(wěn)定狀態(tài)下，兩個直流母線電容電壓均衡，輸出電流有效值恒定在6.6 A，恒流精度在0.01 A以內，交流輸入電流THD為1.34%，輸出電流THD為0.17%。

圖11 輸入電流ii和輸出電流io的THD

2）動態(tài)仿真

0～0.1 s對直流電容充電，0.1 s后開始整流，0.3 s后開始逆變，其仿真波形如圖12所示。通道1為輸入電壓電流波形，通道2為兩個直流母線電容電壓波形，通道3為直流母線電壓波形，通道4為輸出電流波形。

圖12 動態(tài)仿真波形

可以看到，直流母線電容電壓均衡，直流母線電壓最大不超過800 V，在所選開關器件耐壓范圍內交流輸出電流i達到穩(wěn)定時間為0.8 s。

3）開路限幅仿真

在仿真中運行1 s后突然切除負載，使電路運行在開路狀態(tài)下，變壓器副邊最大電壓限制在7000 V以內，仿真波形分別如圖13所示。

圖13 開路限幅仿真波形

可以看到，在開路狀態(tài)下，經限幅后輸出電壓能夠很好的限制在預定電壓范圍內，并且直流母線電壓最大不超過1000 V。

5 結論

本文將PFC技術應用在交-直-交變換型恒流調光器中，提出了一種新型三電平BOOST-PFC型正弦波恒流調光器，其相對傳統(tǒng)的H橋整流型正弦波恒流調光器，具有效率高，功率因數(shù)高，諧波小，成本低等優(yōu)點。本文介紹了該電路的工作原理，研究了其整流側和逆變側的控制方式，通過整流器和逆變器的電壓、電流雙閉環(huán)控制實現(xiàn)了整流側直流母線電壓恒壓，逆變側輸出電流恒流的控制目標，且達到波形高度正弦，輸入功率因數(shù)為1。同時在整流控制器中增加均壓調節(jié)量，從而實現(xiàn)了直流母線電壓的均衡。最后本文通過Matlab/ Simulink仿真驗證了所設計控制方式的正確性。

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Research on Airfield Light Dimmer Based on a Three Level Boost-PFC and Sinusoidal Constant Current Technology

Zhang Kegui1, Zhong Lang1, Dong Zhiqiang1, Liu ming2, Ouyang Hui2

(1. China Nuclear Industry 23 Construction Co., Ltd., Beijing 101300, China; 2. Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430064, China)

TM46

A

1003-4862（2021）11-0036-05

2021-03-09

張可貴(1969-)，男，工程師。研究方向：自動化和儀控技術研究。E-mail:ouyanghui.hust@foxmail.com