一种新颖的双boost双buck交交变换器(1)

1、电力电子与电力传动 1081 一种新颖的双Boost / 双Buck交交变换器 陈 杰 陈家伟 龚春英 南京航空航天大学自动化学院 江苏 南京 210016 【摘 要】 本文提出了一种全新的适用于中频电源的基于双 Boost/双 Buck 交交变换器。它克服了传 统半桥和全桥电路存在桥臂直通隐患以及开关管体二极管参与工作反向恢复损耗大、效率 低的缺点，尤其适用于电源频率较高，可靠性要求高的场合。本文介绍了该变换器的主电 路拓扑结构、工作原理和控制方法，重点分析了前后级电感的设计方法，中间直流环节电 压的选取原则以及如何优化设计中间环节滤波电容。最后通过 Saber 仿真验证了电路的可 行性和理论分析的正确性。 【关键词】 双 Boost/双 Buck 交交变换器 变频 A Novel Dual Boost/Buck AC/AC Converter Chen Jie Chen Jiawei Gong Chunying College of Automation Engineering，Nanjing University of Aeronautics & Astronautics， Na

2、njing 210016，Jiangsu，China Abstract：In this paper，a novel Dual-Boost/Buck AC-AC converter which is very suitable for the AC power source with mid-frequency is proposed. It is based on Dual-Boost/Buck PWM Rectification/Inversion topology which overcomes the shoot-through and also high reverse-recovery dissipation problems，and is very suitable for high frequency. The operational principle，control methods，optimal design of parameters，interactions between rectifier part and inverter part of the prop

3、osed circuit are analyzed in detail. Finally，a simulation model has been built under Saber. The simulation results verified the validity of the presented circuit. Key words：Dual Boost/Buck；AC/AC Converter；Variable frequency 1 引 言 在现代大型飞机中，传统的变速恒频电源（VSCF）和恒速恒频电源（CSCF）1逐渐被变频交流电源 所取代。变频交流电源（一般频率变化范围360800 Hz）只需经过一次能量变换，即发电机将发动机的 机械能转化为电能，系统部件少、结构简单、效率高、重量轻、体积小、成本低、可靠性高、可维护性 好。近年来，以美、欧为代表的世界各航空大国都加强了变频交流电源系统的研究。大型民机用电量大， 且对频率变化没有要求，可以直接使用变频交流电的用电设备比例较高，变频交流电源系统显得更为优 越。代表当前大型民机先进水平的欧洲空客公司的A380和美国波音公司

4、的B787飞机均采用了变频交流 基金项目：国家重点基础研究发展计划（2007CB210303） 作者简介：陈杰（1982） ，男，博士研究生，研究方向为电力电子与电力传动。电话：025-84891773，E-mail： nuaachenjie 通信作者：龚春英（1965） ，女，教授，博士生导师，研究方向为功率变换技术、新能源发电等。电话：025- 84891773，E-mail：zjnjgcy 1082 2008 全国博士生学术论坛电气工程论文集 电源系统。变频交流电源系统也是我国未来大型飞机电源系统的首选方案。同时飞机上还有较多的电子设 备和电动机驱动机构，它们需要的是直流电或恒频的交流电。因此必须寻求能将变频交流电转为直流电和 恒频交流电的高功率密度、高可靠和高效率的电力电子PWM整流器和AC/AC变换器。 目前国内外采用的PWM整流/逆变电路为半桥或全桥结构2，3，4，5。该电路拓扑的主要不足是： 开关管串联，存在发生开关管的直通短路隐患。同时该电路的续流二极管为开关管的体二极管，它的 反向恢复时间相当长，导致大的反向恢复损耗。这两个问题使这种PWM整流/逆变电路的可靠性和变

5、换效率受到了限制，对频率较高的飞机中频电源来说该影响更为明显。 本文提出了一种新颖的适用于中频段的PWM整流/逆变电路。这是一种基于boost/buck的PWM 整流/逆变电路，它避免了两个开关管串联与直流电源并接的结构，从而消除了直通短路的可能性，也 避免了开关管体二极管参与工作反向恢复损耗大的缺陷。且输入输出共地，电路构成简单。此外，该 电路也可方便的构成三相输入三相输出、三相输入单相输出或单相输入三相输出的双向AC/AC变换 器，满足不同场合的要求。 2 系统描述 图1所示为双Boost/双Buck交交变换器，主要是由前级双Boost整流和后级双Buck逆变直接连 接构成。其中vin，uo分别为输入和输出交流电源，C1，C2为中间直流滤波电容。前级实现PFC AC/DC整流，后级实现DC/AC逆变。从该拓扑的结构中可以看出，同一桥臂上没有开关管的串联， 所以不存在桥臂直通隐患，不需要在两个开关管驱动波形中加入死区，工作的可靠性大大提高。 1 L 2 L in v 1 D 1 S 2 S + - 2 D 1 C 2 C 3 L 4 L o C 3 D 3 S 4 S 4 D o u

6、 b i+ dc i+ 双Boost整流电路双Buck逆变电路直流滤波电容 图 1 双 Boost/双 Buck 交交变换器 Fig.1 Dual Boost/Buck AC/AC converter 3 工作原理和控制方法 该电路由双Boost整流电路和双Buck逆变电路直接连接构成，分别如图2和图3所示。下面简要 介绍各自的工作原理。 1 C V 2 C V 1 L 2 L in v 1 D 2 S 1L i 2L i + - + - 2 D 1 C 2 C 1 S in i 1 C V 2 C V + - + - 1 C 2 C 3 L 4 L ou 3 D 3S 4 S 3L i 4L i 4 D 0 i 图 2 双 Boost 整流电路 图 3 双 Buck 逆变电路 Fig.2 Dual Boost Rectifier Fig.3 Dual Buck Inverter 电力电子与电力传动 1083 3.1 双 Boost 整流电路 该电路由 vin，S2，D2，L2，C1，C2构成第一组Boost电路，由vin，S1，D1，L1，C1，C2组成第二 组Boost电路，有如图

7、4所示四种工作模态。不管该电路是工作在AC/DC整流还是有源逆变状态，都 希望输入电源的输出电流尽量正弦化且与输入电压同相位实现功率因数为 1，因此该电路的工作周期 可分成两段：输入电流正半周（iin0）和负半周（iin0） 。 iin0时间段第一组电路工作，有两种工 作模态（1，2） ；iin0时间段第二组电路工作，有两种工作模态（3，4） 。 当输入电流和输入电压同相位的时候，电路工作在PWM整流状态；当两者相位相反时，电路工 作在 PWM 有源逆变状态。由于是双 Boost 拓扑，所以电路正常工作要求每个电容上的电压大于输入 电压峰值。 2C V in v 2 S 2L i + - 2 C in i 2 L 1C V 2 L in v 2L i + - 2 D 1 C in i 1C V 1 L in v 1L i + - 1 C 1 S in i 2 C V 1 L in v 1 D 1L i + - 2 C in i （a）开关模态 1 （b）开关模态 2 （c）开关模态 3 （d）开关模态 4 图 4 双 Boost 整流电路工作模态图 Fig.4 Operation st

8、ates of the Dual Boost Rectifier 根据工作模态可以得出开关逻辑表，即表1。表中开关管0表示开关管关断，1表示开关管导通。 表 1 双 Boost 整流电路开关逻辑表 Tab.1 Switching logic table of the Dual Boost rectifier 开关模态 S1 S2 输入电流所处半周 1 0 1 正 2 0 0 正 3 1 0 负 4 0 0 负 3.2 双 Buck 逆变电路 该电路也要求每个电容上的电压高于输出电压的峰值以保证电路正常工作。工作原理和整流部分 相似，根据输出电流的正负半周两个降压桥臂轮流工作。工作模态见图5，并可以得出开关逻辑表， 即表2。表中开关管0表示开关管关断，1表示开关管导通。 1C V + - 1 C 3 L ou 3S 3L i 0 i 2 C V + - 2 C 3 L 3 D 3L i 0 i 2C V + - 2 C 4 L ou 4 S 4L i 0i 1 C V + - 1 C 4 L ou 4L i 4 D 0 i （a）开关模态 1 （b）开关模态 2 （c）开关模态 3 （d

9、）开关模态 4 图 5 双 Buck 逆变电路工作模态图 Fig.5 Operation states of the Dual Buck inverter 由以上电路的工作模态分析可知，开关管的体二极管不参与工作，不存在开关管体二极管的反向 恢复问题。系统的反向恢复损耗小、效率高、可以工作在更高的开关频率。 1084 2008 全国博士生学术论坛电气工程论文集 表 2 双 Buck 逆变电路开关逻辑表 Tab. 2 Switching logic table of the Dual Buck inverter 开关模态 S3 S4 输入电流所处半周 1 1 0 正 2 0 0 正 3 0 1 负 4 0 0 负 3.3 控制方式 系统要实现 360800 Hz 变频输入，400 Hz 恒频输出，选择一套好的控制方式可以提高系统性 能。由于电流滞环控制（HCC）6具有控制方法简单、能实现电流的跟踪、有自动限流能力以及动态 响应快等优点，所以本次控制方法采用HCC控制，控制原理图见图6。 从图 6（a）中可以看出，前级控制环路中引入了一个电压外环实现整流输出电压的稳定来控制能 量流动的平衡；锁相环可以得到一个与输入电压同步变化的正弦基准，该基准乘上电压外环输出作为 电流环内环给定，此给定信号和输入电流采样信号同时送入滞环比较器产生PWM信号驱动MOS管开 关实现PWM整流功能。为了使得两个电容均压，控制中还加入了均压环。后级主要是控制输出交流 电压的正弦化和幅值频率稳定，电压外环输出作为电感电流的给定，实现电感电流滞环控制，原理类 似，这里不再累述。 （a）双 Boost 整流电路控制框图 （b）双 Buck 逆变电路控制框图 图 6 控制原理框图 Fig.6 Diagram of control principle 4 工作原理和控制方法 4.1 电 感 由于前后级都采用了相同的电感电流滞环控制方式，前级的升压电感和后级降压电感设计方法类 似。这里为了方便起见，以前级升压电感L2 为例子来说明电感的设计方法。 电流滞环控制能够实现电感电流跟踪电流基准iref，使电感电流在限定的环宽（2h）里工作，

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