推挽型電力電子變壓器的研究與設計

張家金， 韓正之

(上海交通大學 電子信息與電氣工程學院， 上海 200240)

?

推挽型電力電子變壓器的研究與設計

張家金， 韓正之

(上海交通大學 電子信息與電氣工程學院， 上海 200240)

相較于傳統的電力變壓器，電力電子變壓器是一種新型的將電力電子技術與高頻變壓器結合起來的電能傳輸裝置。以改進型電力電子變壓器為研究對象，提出兩類新型電力電子變壓器拓撲，一類為交流推挽型電力電子變壓器;另一類為推挽型交-直-交電力電子變壓器。這兩類推挽型電力電子變壓器所需元器件更少，結構更為簡單緊湊，但具有與常用變壓器相同的功率因數。分析了這兩類新型電力電子變壓器的理論基礎和優點，并運用Matlab/Simulink進行了仿真分析，結果驗證了方案的正確性。

電力電子變壓器； 推挽電路； 交交變換器； 交直交變換器

0 引 言

電力電子變壓器(PET)[1]是一種采用PET和高頻開關變壓器實現電壓變換和能量傳遞的電能傳輸裝置，相較于傳統的變壓器，PET具有許多優點，如體積小、重量輕、成本低、供電穩定、控制策略靈活等[2-3]。目前，PET的研究依然處在發展階段，其理論還不夠完善，存在著一些需要解決的問題，如復雜電路拓撲下的串聯均壓問題等[4-6]。

實際應用中，PET一般為高壓輸入—低壓輸出，并通過包含的高頻變壓器實現降壓和電氣隔離[7]。按PET前級和后級的結構對其進行分類，變壓器前、后級電路均可分為交-交型或交-直-交型兩類。在目前已提出的電路拓撲中，前級交-交型電路通常為單相或三相矩陣變換器型[8-9];而前級交-直-交型電路一般運用傳統的PWM整流橋與逆變器[10-11]。變壓器后級電路則主要包括高頻輸入的單相二極管不可控整流、單相PWM可控整流與逆變、矩陣變換器型等[12]。這些結構所需的電力電子器件都比較多，結構相對復雜。本文提出用推挽技術來設計PET。推挽拓撲電路結構簡單、變壓器磁芯利用率高，這些優點可以成為PET設計的依據[13-14]。

1 推挽型PET電路拓撲與工作原理

推挽電路是一種重要的實用技術，廣泛應用于電路的功放環節。在功放電路中，它通常采用2個參數相同的功率BJT 管或MOSFET 管，各自負責正負半周的波形放大任務[15]。電路工作時，兩只對稱的功率開關管每次只有一個導通，所以導通損耗小、效率高[16]。本文將推挽電路應用于PET中，提出了兩類新型的推挽型PET。

1.1 交流推挽型PET

交流推挽型PET的電路拓撲見圖1，其設計輸入交流電壓10 kV，輸出的單相交流電壓±220 V。

圖1中，電感L1和電容C1構成網測濾波器，主要起到濾波的作用。兩組雙向開關BS1、BS2構成PET前級功率電路，其作用是將變壓器前級電網側的50 Hz工頻電壓斬波成高頻電壓，傳輸到變壓器前級線圈。兩組雙向開關的開關頻率高于1 kHz，占空比均為50%。T1為高頻降壓變壓器，用于降壓和隔離。

雙向開關BS3～BS6構成了單相-單相矩陣變換器，其作用是將經過變壓器線圈降壓的低壓高頻交流電壓還原為工頻交流電壓，為后級負載供電。其中BS3與BS6為一組，兩者的驅動脈沖相同；BS4與BS5為另一組，兩者的驅動脈沖也相同。它們的開關頻率與前級的BS1、BS2相同，占空比也均為50%。電感L2和電容C2為后級濾波電路，RLC1為電路負載。

圖1所示電路實現變壓的工作原理如下：交流推挽型PET前級的AC-AC變換器部分與常見的交-交變換電路不同，它利用變壓器繞組的額外抽頭以及兩組功率半導體雙向開關，達到將工頻交流電壓變換為高頻交流電壓的目的。兩組半導體雙向開關的控制信號為互補導通的高頻矩形脈沖信號，占空比50%。當輸入交流電壓在正半周時，左側的雙向開關觸發導通時，變壓器下端電壓更高；右側的雙向開關觸發導通時，變壓器的上端電壓更高。而當輸入交流電壓在負半周時，左側的雙向開關觸發導通時，變壓器的上端電壓更高；右側的雙向開關觸發導通時，變壓器下端電壓更高。由于控制雙向開關通斷的觸發脈沖頻率遠比工頻要高，因此在交-交推挽電路的輸出端，工頻交流電壓就被變換為高頻交流電壓，最終輸入給高頻變壓器的初級線圈。

這種交流推挽型PET的優點在于既實現了PET的功能，又使所用半導體變流器件比常見的矩陣變換器型結構減少了50%，更加便于靈活控制。同時結構更加緊湊，效率更高，制造成本也相對更低。

1.2 推挽型交-直-交PET

推挽型交-直-交PET的電路拓撲如圖2所示，其設計輸入交流電壓為10 kV，輸出的單相交流電壓±220 V。這類PET在電網側，先利用整流電路將工頻交流電壓整流為直流電壓，隨后通過推挽逆變電路將直流電壓逆變為高頻交流電壓。

圖2中，電感L1和電容C1構成網測濾波器，與在圖1中一樣，主要起濾波作用。反向快速恢復二極管FRD1～FRD4構成高壓整流橋，起到將電網側的工頻高壓交流電壓整流為直流電壓的作用。電容C2負責過濾整流完之后直流中的交流成分。半導體開關器件RCS1、RCS2構成推挽電路，主要作用是將直流高壓逆變為高頻交流電壓，以傳輸給高頻變壓器前級線圈。兩個半導體開關器件的觸發脈沖信號頻率很高，一般高于1 kHz，占空比均為50%。T1為高頻降壓變壓器，用于降壓和電氣隔離。推挽型交-直-交PET的后級負載側與之前介紹的交流推挽型電力電子變壓器后級一樣，在此不再贅述。

這類變壓器的工作原理如下：推挽型交-直-交PET的AC-DC部分電路為最常見的傳統整流橋。而在DC-AC部分，與傳統逆變橋不同，它利用變壓器繞組的額外抽頭，只要兩個功率半導體開關器件就可以達到逆變為高頻交流電壓的目的。兩個半導體開關器件的控制信號為互補導通的高頻矩形脈沖信號。根據電路，當左側IGBT導通時，變壓器下端電壓更高；而當右側IGBT導通時，變壓器上端電壓更高。因此，由于觸發脈沖信號頻率很高，直流電壓就被推挽電路逆變為了高頻方波交流電壓，最終輸入給高頻變壓器的初級線圈。

這種交-直-交PET中的推挽結構相比于傳統結構，在同樣實現PET功能的基礎上，其變流器件的數量大大減少。這樣既降低了制造成本，減少了工作損耗，也更容易優化控制策略，具有很廣闊的研究價值和前景。

2 仿真分析

2.1 交流推挽型PET的仿真

根據圖1中的電路，利用Matlab/Simulink建立交流推挽型PET的仿真電路，包括功率電路和控制電路，其仿真參數設置如下：交流輸入電壓10 kV，濾波電感L1=0.25 mH，電容C1=5 μF。高頻交流電壓的頻率由仿真電路中Pulse Generator模塊產生的脈沖信號頻率決定。在此處仿真中，脈沖信號頻率為5 kHz。仿真采用理想開關，忽略開關損耗。

仿真環境下，網側輸入電壓與電流波形如圖3所示。在顯示電壓時，對其做了除以20的處理。由圖可見，電網側穩態電流波形與輸入電壓波形相位基本一致，可見交流推挽電路能有效的保證整個電路的功率因數基本為1。作為對比，常見的矩陣變換器型PET的網測電壓與電流波形如圖4所示。可見，推挽型PET得到的功率因數與矩陣變換器拓撲得到的功率因數相比，幾乎一樣甚至更接近1。

經過推挽電路后，輸入工頻交流電壓被斬波為高頻交流電壓，其總體波形如圖5所示。可見交流電壓幅值的變化依舊按正弦規律。將其中某個部分的波形放大，就得到了高頻交流電壓的局部波形，如圖6所示。其頻率為5 kHz，與雙向開關觸發脈沖信號的頻率一致，波形的占空比為50%。可見推挽電路確實將工頻交流電壓變換成了高頻交流電壓，仿真結果驗證了理論分析的正確性。

圖5 變壓器前側高頻交流電壓的總體波形

2.2 推挽型交-直-交PET的仿真

根據圖2中的電路，利用Matlab/Simulink建立推挽型交-直-交PET的仿真電路，包括功率電路和控制電路，其仿真參數設置如下：交流輸入電壓為10 kV，濾波電感L1=0.25 mH，電容C1=5 μF，并聯大電阻R1阻值50 kΩ。電路中兩個IGBT器件互補導通，其通斷控制信號為仿真電路中Pulse Generator模塊生成的高頻方波脈沖。而得到的高頻交流電壓的頻率也正取決于該方波脈沖信號的頻率。在此處仿真中，脈沖信號頻率為5 kHz。仿真采用理想開關，忽略開關損耗。

仿真環境下，網側輸入電壓與電流波形如圖7所示。在顯示電壓時，對其做了除以50的處理。由圖可見，電網側穩態電流波形與輸入電壓波形相位基本一致，可見交-直-交推挽電路也能有效地保證整個電路的功率因數基本為1。作為對比，常見的PWM整流與逆變型PET的網測電壓與電流波形如圖8所示。可見，推挽型交-直-交PET得到的功率因數與PWM整流逆變拓撲得到的功率因數相比，結果更理想，更接近于1。

工頻交流電壓通過整流橋后被整流為單向的直流電壓，其波形如圖9所示。圖中直流電壓中每個半波的持續時間恰好為交流電壓周期的1/2，可見經過整流橋電路后，電路已基本達到了AC-DC整流的目的。

整流后的直流電壓接入推挽電路后，被逆變為高頻交流電壓，總體波形如圖10所示。可見，高頻交流電壓幅值變化的包絡線與經過整流橋整流得到的直流電壓的包絡線是一致的。將其中某個部分的波形放大，就得到了高頻交流電壓的局部波形，如圖11所示。其頻率為5 kHz，與脈沖信號的頻率一致，波形的占空比為50%。可見推挽電路確實將直流電壓逆變成了高頻交流電壓，仿真結果驗證了理論分析的正確性。

圖10 變壓器前側高頻交流電壓的總體波形

3 結 語

本文以推挽型PET為研究對象，提出了交流推挽型PET和推挽型交-直-交PET這兩類新型PET拓撲，分析了它們的工作原理，并利用Matlab/Simulink進行了10 kV工頻交流電壓供電時的仿真分析。結果表明,這兩類推挽型PET方案與當前常用的PET具有相似的功率因數，但其電路拓撲結構更為簡單，有廣闊的發展前途。

圖11 變壓器前側高頻交流電壓的局部波形

[1] 賀 勛.智能電網之初窺[C]∥云南省科協學術年會.昆明，2011.

[2] 馬紅星，李華武，楊喜軍.配電網中的電力電子變壓器技術的綜述[J].變頻器世界，2012(1)：53-58.

[3] 方華亮，黃貽煜，范 澍，等.配電系統電力電子變壓器的研究[J].電力系統及其自動化學報，2003，15(4)：27-31.

[4] 陳 曦，王 瑾，肖 嵐.用于高壓高頻整流的二極管串聯均壓問題[J].電工技術學報，2012，27(10)：207-214.

[5] Sabahi M, Hosseini S H, Sharifian M B,etal. Zero-voltage switching bi-directional power electronic transformer[J]. Power Electronics, IET, 2010, 3(5): 818-828.

[6] 祝萬平. 帶儲能系統的電力電子變壓器研究[D]. 重慶：重慶大學, 2013.

[7] 潘詩鋒，趙劍鋒.電力電子變壓器及其發展綜述[J].江蘇電機工程，2003，22(6)：52-54.

[8] 李利娟，朱建林，劉紅良.三電平矩陣變換器的電路拓撲與控制策略[J].電力自動化設備，2008，28(3)：63-67.

[9] 王-毅，陳希有，徐殿國. 空間矢量調制矩陣變換器閉環控制的研究[J]. 中國電機工程學報, 2003, 23(6): 164-169.

[10] 程善美，萬淑蕓，段正澄.基于DSP的單相PWM整流器[J].儀表技術與傳感器，2008(2)：56-60.

[11] 鄒祖冰，蔡麗娟，甘輝霞. 電壓型 PWM 逆變器的自抗擾控制策略[J]. 電工技術學報, 2004, 19(2): 84-88.

[12] 鄧衛華，張 波，胡宗波.電力電子變壓器電路拓撲與控制策略研究[J].電力系統自動化，2003，27(20)：40-48.

[13] 張方華，王慧貞，嚴仰光.新穎正激推挽電路的研究及工程實現[J].南京航空航天大學學報，2002，34(5)：451-455.

[14] 馬 蘭，錢 荔，肖 嵐. 電流型推挽全橋雙向變換器的研究[J]. 電力電子技術, 2008, 42(1): 21-23.

[15] 康華光.電子技術基礎模擬部分[M].5版. 北京：高等教育出版社，2006(1).

[16] 馬運東，周林泉，阮新波，等. 零電壓開關脈寬調制推挽三電平變換器[J]. 中國電機工程學報, 2007, 26(23): 36-41.

Research and Design of Push-Pull Power Electronic Transformer

ZHANGJia-jin，HANZheng-zhi

(School of Electronic Information and Electrical Engineering, Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240, China)

The development of Smart Grid and power electronic technologies has driven a lot of new development in power system, especially the development of power electronic transformer (PET). Comparing to the traditional electrical transformer, PET is a new kind of power transmission device, which combines the high-frequency transformer with the power electronic technologies. This paper takes improved power electronic transformer as the main analysis object, and proposes two new kinds of topologies for the transformer. The first kind is AC-AC push-pull power electronic transformer, and the second is AC-DC-AC push-pull power electronic transformer. These two are much simpler than the common transformer. They all need fewer components, but could get the equivalent power factor as the normal transformer. On the basis of theoretical analysis, the simulation is conducted by Matlab/Simulink, and results validate the effectiveness of schemes.

power electronic transformer; push-pull circuit; AC-AC converter; AC-DC-AC converter

2014-10-30

張家金(1990-)，男，江蘇南通人，碩士生，主要研究方向為電力電子變壓器中的新設計及其應用。

Tel.：13818207362; E-mail:zjjmonkey@126.com

韓正之(1947-)，男，上海人，教授，博士生導師。

Tel.：13901718127; E-mail:zzhan@sjtu.edu.cn

TM 41

A

1006-7167(2015)03-0074-04