基于橋臂內(nèi)移相控制的三電平移相全橋變換器共模電壓抑制策略

賀天元，范學(xué)鑫

基于橋臂內(nèi)移相控制的三電平移相全橋變換器共模電壓抑制策略

賀天元1，范學(xué)鑫2

（1.海裝駐湘潭地區(qū)軍事代表室，湖南湘潭 411100；2. 海軍工程大學(xué)艦船綜合電力技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)試驗(yàn)室，武漢 430033）

針對(duì)三電平移相全橋變換器變壓器原邊共模電壓難以抑制問(wèn)題，提出了一種橋臂內(nèi)移相控制的抑制策略。結(jié)合三電平移相全橋變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，首先分析傳統(tǒng)移相策略的工作原理，分析共模電壓的產(chǎn)生原因，其次分析所提出的橋臂內(nèi)移相策略的工作原理，最后通過(guò)仿真驗(yàn)證所提抑制策略的有效性。采用所提橋臂內(nèi)移相策略可以有效消除變壓器原邊共模電壓。

三電平移相全橋變換器；共模電壓；橋臂內(nèi)移相策略

0 引言

艦船綜合電力系統(tǒng)（IPS）將發(fā)電、日常用電、武器設(shè)備用電和推進(jìn)供電等綜合為一體。相比于傳統(tǒng)艦船采用的機(jī)械式推進(jìn)系統(tǒng)，其推進(jìn)系統(tǒng)和電力系統(tǒng)相互獨(dú)立，在振動(dòng)共模抑制和能量管理方面具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)[1～2]。直流區(qū)域配電系統(tǒng)是連接4000 V中壓直流電網(wǎng)與日常負(fù)載的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它主要包括DC/DC變流器、DC/AC逆變器、DC/AC變頻器等。其中DC/DC變流器作為直流區(qū)域配電系統(tǒng)的一級(jí)能源設(shè)備，它的主要功能是從4000 V電網(wǎng)獲取能源，變?yōu)榈碗妷旱燃?jí)直流電供逆變及其他負(fù)載使用。

三電平移相全橋變換器(TL-PSFB)由于其具有輸入電壓等級(jí)高、輸出紋波電流小、輸入輸出電氣隔離等優(yōu)勢(shì)廣泛應(yīng)用于艦船綜合電力系統(tǒng)[3～5]。但是變換器在工作過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的共模電壓，目前通常采用EMI濾波器抑制共模電壓，以滿足EMI標(biāo)準(zhǔn)要求。

電力電子裝置開(kāi)關(guān)狀態(tài)切換過(guò)程中通常會(huì)產(chǎn)生共模電壓。三電平移相全橋變換器中頻變壓器繞組間電容為共模電容與地之間提供了流通路徑。如果不采取適當(dāng)?shù)募s束方法，共模電壓會(huì)干擾到其他設(shè)備。

目前一些學(xué)者提出了各種方法來(lái)解決隔離DC/DC變換器的共模電壓?jiǎn)栴}。主要包括對(duì)稱電路，無(wú)源消除，繞組消除和屏蔽等方法。對(duì)稱電路方法就是將元件成對(duì)設(shè)計(jì)并對(duì)稱布局以消除共模電流[7]。在無(wú)源消除方法中，通過(guò)增加補(bǔ)償繞組和電容組成附加補(bǔ)償分支進(jìn)而形成相對(duì)于共模電流的反相電流，以消除共模電壓[8]。繞組消除方法通過(guò)適當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)變壓器結(jié)構(gòu)和布置變壓器繞組來(lái)消除流過(guò)繞組間電容的共模電流。該方法已應(yīng)用于反激式變換器，單/雙開(kāi)關(guān)正激變換器[9]屏蔽方法通過(guò)在變壓器初級(jí)和次級(jí)繞組之間插入屏蔽層來(lái)降低流過(guò)繞組間電容的共模電流[10]。

此外還有使用上述方法的組合以實(shí)現(xiàn)更好的性能。在移相全橋DC/DC變換器中，兩個(gè)相位中點(diǎn)的電位在不同時(shí)間改變，因此兩個(gè)橋臂產(chǎn)生的共模電壓不能相互抵消。單獨(dú)的對(duì)稱電路方法不能完全解決共模電壓?jiǎn)栴}。在[11]中使用對(duì)稱電路和被動(dòng)消除方法的組合來(lái)解決該問(wèn)題。除了包括對(duì)稱諧振電感和對(duì)稱變壓器的對(duì)稱電路，用于消除由移相DC/DC變換器中的諧振電感兩端的電壓引起的共模電壓，還使用由附加變壓器和電容器組成的無(wú)源消除電路來(lái)取消由相電壓中點(diǎn)和地之間的電壓變化引起的共模電壓。采用對(duì)稱電路和被動(dòng)消除的組合方法，可以更好地解決共模電壓?jiǎn)栴}。然而，無(wú)源消除方法需要額外的電路，這增加了變換器的成本和復(fù)雜性。而且，附加電路的參數(shù)如補(bǔ)償電容很難確定，其被很多雜散參數(shù)影響。此外，額外附加電路也會(huì)增加變換器的功率損耗。文獻(xiàn)[12]提供了一種很好的解決思路，通過(guò)改進(jìn)調(diào)制策略抑制共模電壓的產(chǎn)生。

針對(duì)上述研究現(xiàn)狀，本文從電路拓?fù)淙胧郑治隽藗鹘y(tǒng)移相調(diào)制策略的原理及局限性，提出了一種橋臂內(nèi)移相的控制策略，分析了橋臂內(nèi)移相的控制策略的原理。最后通過(guò)仿真驗(yàn)證所提控制策略的有效性。

1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析

TL-PSFB的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包含支撐電容、三電平全橋、中頻隔離變壓器、不控整流橋、輸出濾波電感、輸出濾波電容等部分。三電平全橋?qū)⒅绷髂孀優(yōu)榻涣鳎?jīng)過(guò)中頻隔離變壓器降壓后輸出至不控整流橋，經(jīng)整流濾波后輸出給后級(jí)負(fù)載供電。

圖1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖1中CpA和CpB是從初級(jí)側(cè)橋臂中點(diǎn)到地面的寄生電容。Cs是次級(jí)側(cè)對(duì)地的寄生電容。Cps是中頻變壓器的繞組間電容。

2 傳統(tǒng)移相脈寬調(diào)制分析

在傳統(tǒng)移相脈寬調(diào)制中，變換器通過(guò)左右橋臂移相控制。S1和S2采用相同的脈沖控制。S3和S4采用相同的脈沖控制。右橋臂與左橋臂類似。圖2為傳統(tǒng)移相調(diào)制策略示意圖。當(dāng)橋臂中點(diǎn)電壓AO或BO改變時(shí)，相應(yīng)的寄生電容CpA或CpB充電或放電以及繞組間電容Cps，從而引起共模電流噪聲。

理論上，共模電壓CM是導(dǎo)致共模電流的噪聲源。共模電壓CM可表示為，

如圖2所示，共模電壓CM隨著AO和BO的變化而變化。傳統(tǒng)的相移調(diào)制，橋臂中點(diǎn)電壓AO和BO在不同時(shí)間改變，引起共模電壓的變化并通過(guò)寄生電容產(chǎn)生共模電流。

3 橋臂內(nèi)移相策略

為了降低共模電壓，本文提出TL-PSFB橋臂內(nèi)移相調(diào)制策略。如圖3所示，左橋臂S1和S2之間移相控制，S3和S4之間移相控制，右橋臂與之類似。左右橋臂輸出電壓AO和BO存在三個(gè)電平，如圖3所示。AO和BO同時(shí)改變但方向相反。根據(jù)式（1），共模電壓CM為零。

圖2 傳統(tǒng)移相脈寬調(diào)制策略示意圖

圖3 橋臂內(nèi)移相調(diào)制策略示意圖

盡管驅(qū)動(dòng)脈沖波形與傳統(tǒng)的移相調(diào)制不同，但交流電壓AB的產(chǎn)生波形仍然與傳統(tǒng)的移相調(diào)制相同，因此中頻變壓器和二次側(cè)整流橋不受新調(diào)制策略的影響。傳統(tǒng)調(diào)制中一個(gè)橋臂是超前橋臂而另一個(gè)橋臂是滯后橋臂，在所提出的調(diào)制中沒(méi)有超前和滯后橋臂之分。

圖4 變換器開(kāi)關(guān)狀態(tài)示意圖

在圖2和圖3中示移相角在兩種調(diào)制方案中也是不同的。傳統(tǒng)移相脈寬調(diào)制中超前橋臂和滯后橋臂之間移相。在所提出的調(diào)制中，移相分別發(fā)生在兩個(gè)橋臂的外部開(kāi)關(guān)和內(nèi)部開(kāi)關(guān)之間。

圖4為采用橋臂內(nèi)移相調(diào)制策略，變換器前半個(gè)周期的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。

階段1（0～1）：開(kāi)關(guān)管S1，S2，S7和S8導(dǎo)通。變壓器原邊電壓AB=dc，如圖4a所示。

階段2（1～2）：開(kāi)關(guān)管S1和S8關(guān)斷。電流通過(guò)Dc1和Dc4續(xù)流。變壓器原邊電壓AB=0，如圖4b所示。

階段3（2～3）：S2和S7關(guān)閉。S3和S6開(kāi)啟。S3，S4，S5和S6導(dǎo)通。變壓器原邊電壓AB=-dc，如圖4c所示。

階段4（3～4）：無(wú)開(kāi)關(guān)動(dòng)作。變壓器原邊電流過(guò)零。變壓器原邊電壓AB=-dc，如圖4d所示。

4 仿真分析

驗(yàn)證橋臂內(nèi)移相調(diào)制策略的有效性在matlab中建立仿真模型。圖5為輸入母線電壓4000 V，采用傳統(tǒng)橋臂間調(diào)制策略，移相角為72°時(shí)仿真波形。圖6為采用橋臂內(nèi)調(diào)制策略變壓器原邊電壓及共模電壓仿真波形。從圖中對(duì)比可以看出采用所提出的橋臂內(nèi)調(diào)制策略共模電壓為0，而傳統(tǒng)調(diào)制策略共模電壓在正負(fù)母線電壓跳變。

圖5 傳統(tǒng)移相脈寬調(diào)制策略變壓器原邊電壓和共模電壓仿真波形

圖6 橋臂內(nèi)移相調(diào)制策略變壓器原邊電壓和共模電壓仿真波形

5 結(jié)論

本文針對(duì)三電平移相全橋變換器共模電壓抑制問(wèn)題，結(jié)合三電平移相全橋變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分析了傳統(tǒng)移相脈寬調(diào)制策略不能夠有效抑制共模電壓，提出了橋臂內(nèi)移相調(diào)制策略并分析了變換器開(kāi)關(guān)狀態(tài)，最后通過(guò)仿真驗(yàn)證了所提橋臂內(nèi)移相調(diào)制策略的有效性。

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Common-mode Voltage Suppression Strategy for Three-level Phase-shifted Full-Bridge Converter Based on In-arm Phase-shifting Control

He Tianyuan, Fan Xuexin

（1.Military Representative Office in Xiangtan Region, Naval General Armament Department, Xiangtan 411100, Hunan, China; 2.National Key Laboratory of Science and Technology on Vessel Integrated Power System, Naval Univ. of Engineering, Wuhan 430033, China）

TM771

A

1003-4862（2021）07-0023-04

2021-03-17

賀天元（1984-），男，工程師，研究方向：電力電子與電力傳動(dòng)。E-mail：fxxaim0224@163.com