一種低成本變換器裝置的設計與應用

范嘉晨 莫勝勝 徐群人 覃偉鋒 李振盛

摘 要：設計了一種低成本變換器裝置，可解決現有電力電子變壓器結構復雜、控制困難、成本高，且無法滿足多電源場合下應用需求的技術問題。該裝置輸入直流電，同時輸出直流電和交流電，提供多端口輸出;調制使用一個載波、兩個調制波，同時調制出50 Hz正弦波和2 000 Hz交流方波;電路結構相對簡單，不同于現有電力電子變壓器要先將交流電先轉化為直流電再經過DC-DC變換器轉變為需要的直流電，該裝置涉及單元更少，裝置可靠性更高，成本更低。

關鍵詞：變換器;低成本;電路結構;控制方法

0 引言

隨著社會經濟的發展，各種形式的電力需求不斷增長，人們對電子設備的要求逐漸提高。柔性直流輸電是基于電壓源換流器的新一代高壓直流輸電技術，其中模塊化多電平變流器因運行效率高、輸出特性好、可拓展性強，已成為當前柔性直流輸電系統中換流閥的首選方案[1]。然而對MMC拓撲而言，總損耗的降低并不能保證其可靠性的有效提高，因為損耗在子模塊間及子模塊內部的分布問題亦有可能對其可靠性造成影響。功率器件的損耗及其熱應力是影響變流器可靠性的重要因素，因此如何提高MMC變流器運行的可靠性，是MMC變流器亟待解決的另一難題[2]?，F有的多種電力電子變壓器拓撲結構一般直接將交流電先轉化為直流電，再經過DC-DC變換器轉變為需要的直流電，這種方式涉及的元器件多，成本高，控制復雜，可靠性低，難以實現大規模使用。因此，需要設計一種成本低、器件更少的變換器裝置。

1 裝置結構

如圖1所示，本文設計的低成本變換器裝置包括直流電壓源、中心電壓電路、第一調制控制電路、第二調制控制電路、選頻電路、降壓整流電路、第一輸出電路和第二輸出電路。電路結構如圖2所示。

1.1? ? 直流電壓源

直流電壓源的兩端均與中心電壓電路連接，且分別與第一調制控制電路和第二調制控制電路連接，第一調制控制電路與選頻電路和降壓整流電路連接，第二輸出電路與降壓整流電路連接，第一輸出電路與選頻電路連接。

1.2? ? 中心電壓電路

中心電壓電路包括第一電容C1和第二電容C2，第一電容C1的一端分別與直流電壓源的正極和第一調制控制電路連接，第二電容C2的一端分別與直流電壓源的負極和第二調制控制電路連接，第一電容C1的另一端和第二電容C2的另一端均接地。

1.3? ? 第一調制控制電路

第一調制控制電路包括第一絕緣柵雙極型晶體管Q1、第二絕緣柵雙極型晶體管Q2和第五電容C5，第一絕緣柵雙極型晶體管Q1的集電極與第五電容C5的一端連接，第二絕緣柵雙極型晶體管Q2的發射極與第五電容C5的另一端、選頻電路和降壓整流電路連接，第一絕緣柵雙極型晶體管Q1的發射極和第二絕緣柵雙極型晶體管Q2的集電極均與第一電容C1的一端連接，第一絕緣柵雙極型晶體管Q1的基極和第二絕緣柵雙極型晶體管Q2的基極均與外部控制端連接。

1.4? ? 第二調制控制電路

第二調制控制電路包括第三絕緣柵雙極型晶體管Q3、第四絕緣柵雙極型晶體管Q4和第六電容C6，第三絕緣柵雙極型晶體管Q3的集電極與第六電容C6的一端連接，第四絕緣柵雙極型晶體管Q4的一端與第六電容C6的另一端和直流電壓源的負極連接，第三絕緣柵雙極型晶體管Q3的發射極和第四絕緣柵雙極型晶體管Q4的集電極均與降壓整流電路連接，第三絕緣柵雙極型晶體管Q3的基極和第四絕緣柵雙極型晶體管Q4的基極均與外部控制信號連接。

1.5? ? 選頻電路

選頻電路包括第二電感L2和第四電容C4，第四電容C4的一端與第二電感L2的一端連接并與降壓整流電路連接，第二電感L2的另一端與第二輸出電路的正極連接，第四電容C4的另一端與第二輸出電路的負極連接。

1.6? ? 降壓整流電路

降壓整流電路包括第三電容C3、第一電感L1、第三電感L3、第四電感L4、第五電感L5、第一二極管D1和第二二極管D2，第三電容C3的一端與第三電感L3的一端和第二絕緣柵雙極型晶體管Q2的發射極連接，第三電容C3的另一端經第一電感L1與第一二極管D1的輸入端連接，第一二極管D1的輸出端與第二二極管D2的輸出端和第二電感L2的一端連接，第三電感L3的另一端分別與第五電感L5的一端和第四電感L4的一端連接，第五電感L5的另一端與第二輸出電路連接，第四電感L4的另一端與第二二極管D2的輸入端和第四電容C4的另一端連接。

2 控制方法

2.1? ? 控制流程

本文設計的低成本變換器裝置包括直流電源Udc，將中心電壓電路的電容C1、C2與直流電源Udc并聯，并通過創造中心連接點，直流電源Udc提供直流電流經第一調制控制電路、第二調制控制電路，分別調制出50 Hz正弦波和2 000 Hz交流方波。其中50 Hz正弦波通過第二輸出電路的端口OUT2輸出交流電，2 000 Hz交流方波經過降壓整流電路降壓整流從第一輸出電路的端口OUT1輸出直流電。

進一步地，與直流電源Udc并聯的電容C1、C2，一端連接直流電源Udc，另一端共同接地，創造中心電壓Uc，根據以下公式得到本裝置中電容C1、C2兩端電壓大小為直流電源Udc的一半。

式中：n為電容個數。

進一步地，為第一調制控制電路、第二調制控制電路分配兩個幅值相等、相位依次相差π的三角載波，將這兩個三角載波同時與一個50 Hz正弦調制波和2 000 Hz正弦調制波作比較，比較后分別得到兩個PWM脈沖即為第一調制控制電路和第二調制控制電路的觸發脈沖，得到第一調制控制電路的電壓Upj和第二調制控制電路的電壓Unj，將處于投入狀態的子模塊的輸出電壓相加即第一調制控制電路的電壓Upj和第二調制控制電路的電壓Unj，根據（Unj-Upj）/2得到電路總的輸出電壓波形，即調制出2 000 Hz交流方波和50 Hz正弦波。

使用選頻電路對調制出2 000 Hz交流方波和50 Hz正弦波的信號進行選頻，讓2 000 Hz交流方波進入降壓整流電路進行降壓整流，50 Hz正弦波不進入降壓整流電路而是直接經過濾波輸出，設電路所需頻率為f0，電路中電容電感大小分別為C和L，根據以下公式可計算出電路中所需電容電感的乘積（C×L）大小，再選用適合電路的電容器件C3和電感器件L1。

2.2? ? 降壓整流控制

2 000 Hz交流方波進入降壓整流電路進行降壓整流，分為兩種情況：

（1）當第一調制控制電路輸出電壓為正，第二調制控制電路輸出電壓為負時，D2正向導通，D1反向截止，2 000 Hz交流方波流經D2，儲能電感L2被充磁，流經電感的電流線性增加，同時給電容C4充電，第一輸出電路的端口OUT1輸出電壓。

（2）當第一調制控制電路輸出電壓為負，第二調制控制電路輸出電壓為正時，D2反向截止，防止電流回流，D1正向導通，儲能電感L2通過續流二極管放電，電感電流線性減少，第一輸出電路的端口OUT1輸出電壓由儲能電感L2和電容C4提供。

3 結語

本文設計的低成本變換器裝置輸入直流電，同時輸出直流電和交流電，提供多端口輸出;選用兩個調制控制電路與降壓整流電路結合，使用一個載波、兩個調制波進行調制，同時調制出50 Hz正弦波和2 000 Hz交流方波，電路結構相對簡單，不同于現存的電力電子變壓器要先將交流電先轉化為直流電再經過DC-DC變換器轉變為需要的直流電，本裝置涉及單元器件更少，裝置可靠性更高，成本更低。

[參考文獻]

[1] 姚良忠，吳婧，王志冰，等.未來高壓直流電網發展形態分析[J].中國電機工程學報，2014，34（34）：6007-6020.

[2] 董玉斐，楊賀雅，李武華，等.MMC中全橋子模塊損耗分布優化的調制方法研究[J].中國電機工程學報，2016，36（7）：1900-1907.

收稿日期：2021-01-27

作者簡介：范嘉晨（2001—），男，浙江金華人，研究方向：模塊化多電平變換器。