（电力电子与电力传动专业论文）zeta式多电平交交直接变换器研究.pdf

a b s t r a c t 硕上论文 a b s t r a c t n o w a d a y s ，i ti sr a r ei nt h ew o r l dt h a tt h ea p p l i c a t i o no fm u l t i - l e v e lt e c h n i q u ei na c a c d i r e c tc o n v e r t e rf i e l d s ，s oi ti ss t i l li nt h ep e r i o do fs c i e n c ef r o n tr e s e a r c h i n g i nt h i s d i s s e r t a t i o n ，z e t am o d em u l t i 1 e v e la c a cd i r e c tc o n v e r t e ri s i n v e s t i g a t e d z e t am o d e t h r e e l e v e la c a cd i r e c tc o n v e r t e ri sd e e p l yi n v e s t i g a t e df r o ma s p e c t so ft o p o l o g y , o p e r a t i o n p r i n c i p l e ，c o n t r o ls t r a t e g y , m a i ns t e a d yo p e r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，s p e c t r u mo fv o l t a g e ， s t i m u l a t i o nv e r i f i e ra n do p t i m i z a t i o n ，p r o t o t y p ed e v e l o p m e n ta n di t se x p e r i m e n t s a n da p r o t o t y p eo f5 0 0 v a o f z e t am o d et h r e e - l e v e la c a ed i r e c tc o n v e r t e ri sd e v e l o p e d f i r s t l y , t h i sd i s s e r t a t i o np r e s e n t st e c h n i q u eo fa c a cc o n v e r t e r , t e c h n i q u eo fm u l t i l e v e l a n di t sa p p l i c a t i o ni nt h ef i e l d so fa c a cc o n v e r t e r s e c o n d l y , b a s i n go nt h ep r i n c i p l eo f t h r e e l e v e ls w i t c hc e l la n dt h ep u r p o s eo fm u l t i - l e v e l ，t w ot o p o l o g i e so f z e t am o d em u l t i 1 e v e l a c a cd i r e c tc o n v e r t e ra r ep r o p o s e d ，w h i c ha r ez e t am o d ef o u r - l e v e la n dz e t am o d e t h r e e - l e v e l c o m p a r e dw i t hn o n i s o l a t i o na n dl o wo rm i d d l ef r e q u e n c yi s o l a t i o na c d c a c c o n v e r t e r , i ti ss i n g l es t a g e a n dc o m p a r e dw i t hb u c kn o n - i s o l a t i o na c a cc o n v e r t e r , i tc a n r e a l i z eb u c ka n db o o s to u t p u tv o l t a g e i nt h em a i nb o d yo ft h i sd i s s e r t a t i o n , z e t am o d et h r e e 1 e v e la c a cd i r e c tc o n v e r t e ri s d e e p l yi n v e s t i g a t e d t h en o n c o m p l e m e n t a r yc o n t r o ls t r a t e g yi sp r o p o s e dt oi t c o m p a r e d w i t hc o m p l e m e n t a r yc o n t r o ls t r a t e g y , i tm a k e st h ec o n v e r t e rm o r er e l i a b l e i tc a np r o t e c tt h e c o n v e r t e rf r o mo p e r a t i n gi nt h es t a t eo ft h a tn oo p e r a t i o nm o d e sw o r k sa tt h es w i t c h i n gt i m e o f o p e r a t i o nm o d e s i ta l s om a k e ss u r et h a tm o r eo p e r a t i o nm o d e sc a n tw o r ka tt h es a m et i m e t h ed i s s e r t a t i o na l s op r e s e n t st h em a i ns t e a d yc h a r a c t e r i s t i c s ，t h er i p p l eo fc u r r e n tt h r o u g h i n d u c t o ra n dv o l t a g ea c r o s sc a p a c i t o r c o m p a r i s o no ft h ev o l t a g es p e c t r u m sb e t w e e nz e t a m o d et h r e e l e v e l ，b u c ka n dc u kt w o - l e v e la c a cd i r e c tc o n v e r t e rv e r i f i e st h a tt h r e e 1 e v e lc a n g e tab e t t e rs p e c t r u m ，s oi tc a nr e d u c et h eb u l ko ft h ef i l t e ra n di m p r o v et h eq u a l i t yo fo u t p u t v o l t a g e t h es t i m u l a t i o nv e r i f i e st h et h e o r ya n a l y s i sa n do p t i m i z e st h ep a r a m e t e r so ft h e p r o t o t y p e t h ee x p e r i m e n tr e s u l t so ft h ep r o t o t y p ea r eg i v e ni nc a s e so ft h r e ek i n d so fl o a d s f i n a l l y , ac o n c l u s i o no ft h ed i s s e r t a t i o ni sm a d e ，a n df u r t h e rr e s e a r c ht ot h ea p p l i c a t i o n o fm u l t i l e v e li nt h ef i e l d so fa c a cd i r e c tc o n v e r t e ri sp r o s p e c t e d k e y w o r d s ：z e t am o d e ，m u l t i 1 e v e l ，a c a cc o n v e r t e r , n o n - c o m p l e m e n t a r yc o n t r o ls t r a t e g y , b i - d i r e c t i o n a lp o w e rf l o w , s p e c t r u m 1 1 图表目录硕士论文 图表目录 图1 1 三相输入三相输出矩阵变换器3 图1 2 高频交流环节a c a c 变换器3 图1 3 双向开关的几种形式4 图1 4 基于直流d c d c 拓扑的两电平a c a c 变换器4 图1 5 三种多电平变换器典型拓扑结构5 图1 6 三电平功率单元的提取过程。6 图1 7交一直交型多电平a c a c 变换器7 图1 8b u c k 非隔离式交交型三电平a c a c 变换器拓扑8 图2 1z e t a 直流变换器拓扑1 0 图2 2z e t a 式多电平交交直接变换器拓扑1 1 图2 3z e t a 式四电平交交直接变换器的工作原理。1 2 图2 4z e t a 式四电平交交直接变换器一个开关周期内电流流向图( d o 5 ) 1 3 图2 5z e t a 式四电平交交直接变换器一个开关周期内电流流向图( d u 5b ) d 0 5 时，电源电压小 于电容c l 两端电压，所以电感l l 给电容c l 充电。变换器电流流向如图2 4 ( d ) 所示。 r b = g j( 2 3 ) 2 4 1 2 占空比小于0 5 时 如图2 3 c o ) 所示，同样时间段 t o ，埘为一完整的开关周期。 时间段，t l 】：功率管s l 和s 7 导通，电感l l 通过功率管s l 和s 7 续流，其电流值 保持不变；电容c l 通过功率管s 1 和s 7 向负载供电，输出滤波器前端电压为电容c l 电 1 2 硕士论文 z e t a 式多电平交交直接变换器研究 压，同式( 2 2 ) 所示，变换器的电流流向如图2 5 ( a ) 所示。 时间段 t l ，t 2 ： 功率管s 5 和s 7 导通，一方面为输出滤波电感k 提供续流回路， 另一方面电感l 1 中电流通过此回路给电容c l 充电，输出滤波器前端电压为零，电流流 向如图2 5 ( b ) 所示。 时间段【t 2 ，t 3 】：功率管s 3 和s 5 导通，电源单独给负载供电，输出滤波器前端电压 为电源电压，同式( 2 3 ) 所示。电感l l 中电流和电源、电容c 1 形成回路，由于d o 5 ) a ) 时间段 t o ，t l 】b ) 时间段 t l ，t 2 】 1 3 。 曼=； 2z e t a 式多电平交交直接变换器的拓扑结构及工作原理硕士论文 c ) 时间段 t 2 ，t 3 】d ) 时间段 t 3 ，t 4 】 图2 5z e t a 式四电平交交直接变换器一个开关周期内电流流向图( d - 。一 7 t l! ： t - - 1ll l |眩； 二 ：7 t 口一 ； ll i卜 i：，i ； ? 同ilit 卫；h ：r t hil i ii l ii卜 ! ，t hh li ! i i i! ! - l；l ii - i ： 刊h ；|l l |l 卜1| = l l ：。q、：。r 、；，n 、：7 t 图3 1 有电流检测的互补控制策略和非互补控制策略 3 2 1 互补控制策略 z e t a 式三电平交交直接变换器若采取互补控制策略，其控制脉冲的产生及时序如 图3 1 所示。 状态b i t b ，t 。1 ：此时u o 0 和i l 2 0 ，输入电源给负载供电，时间段，蜘为一开关 周期。 时段 t b ，t i 】：此时开关管s l 和s 3 有触发电压导通，电感l l 被电源u i 充电，而电源 u i 和电容c 1 同时给负载供电，输出滤波器前端电压为电源电压和电容c l 两端电势差之 和，变换器工作在模式l 。 时段 t l ，t 2 】：开关管s 7 和s i 0 导通分别为电感l l 和k 中的电流提供续流回路，此 时输出滤波器前端电压为零。变换器工作在模式3 。 时段i t 2 ，t 3 】：开关管s 5 和s 7 导通，只有输入电源u i 对负载供电，此时输出滤波器 前端电压为电源电压，变换器工作在模式2 。 时段i t 3 ，伽：此时段的工作方式同时段 t i ，t 2 。 1 7 3z e t a 式三电平交交直接变换器的非互补控制策略和稳态工作特性 硕士论文 状态t i t , ，t d 】：此状态有u o 0 ，功率流从负载侧流向输入电源侧。时段心， 伽为一个开关周期。 时段心，t 5 】：此时由于触发电压有u s l o 0 ，同时电感l 2 中电流有i l 2 0 ，因此开关 管$ 1 0 导通工作，为电感l 2 提供续流回路。变换器工作于模式3 。 时段 t s ，t 6 ：开关管s l 和s 3 导通工作，变换器工作在模式1 。 时段 t 6 ，t 7 】：此时段变换器的工作方式同时段心，t 5 】。 时段 t 7 ，t d 开关管s 5 导通工作，变换器工作在模式2 。 在状态d e t d ，纠内，变换器的工作类似于状态b ，同样状态a t 。，t b 】内，变换器的 工作类似于状态c ，只是双向功率管的负方向功率管导通，不再赘述。 从上面模式的开关管工作情况可以看出，开关管s 3 ( s 4 ) 、s 5 ( s 6 ) 和s 1 0 ( s 0 的开关状态 代表三种工作模式。在此互补控制策略中，各个模式的开关管的触发电压信号是互补的。 互补控制策略的优点较明显，实现起来较简单。其缺点也是明显的，就是可靠性不高， 因为各开关管的触发脉冲均为高频，假如某个时刻受到干扰或其它原因发生提前消失或 延时产生，那么变换器中某处电流将会突变，产生瞬时高压，将导致器件损坏从而导致 变换器不工作等严重后果。例如，图3 1 中时刻t 8 ，若开关管s 4 的触发信号提前t l 时 间消失，又时刻t 9 ，若开关管s 6 的触发信号延时a t 2 时间才出现，那么电感k 中的电 流在时间段at l 和t 2 内将没有回路流通，导致错误。还有若s 9 的触发脉冲提前消失或 延时产生，都会产生同样的错误。这三种异常情况如图3 2 ( a ) ( c ) 所示，图中虚线 为应开通却未开通的电流通路。 f i 、 a ) 异常工作情况1 b ) 异常工作情况2 锄弼勃 硕士论文z e t a 式多电平交交直接变换器研究 c ) 异常工作情况3 图3 2 互补控制策略可能出现的三种异常工作情况 而非互补控制策略利用各模式触发信号交叠，在低频信号发生错误概率小优点的基 础上，有效地保证每时每刻变换器有触发电压，即使某高频信号缺失、延迟产生或提前 消失，也会有低频信号自动触发开通提供续流回路，有效防止变换器不同模式切换时发 生共态关断现象，同时非互补控制策略利用变换器双向功率管的换流特点也不会在模式 工作时产生共态导通问题，从而可显著提高变换器的可靠性。 3 2 2 非互补控制策略 所提出的z e t a 式三电平交交直接变换器的非互补控制策略如图3 1 的所示，其可 以满足变换器带不同负载的需要，在双向功率流时，均实现非互补控制，也保证了三电 平输出。以下是感性负载情况下状态b 和状态c 的详细分析。 状态b l t b ，t c 】：此状态u o 0 和i t 2 0 ，输入电源给负载供电，时间段 t b ，切为一开 关周期。 时段 t b ，t l 】：此时开关管s l 和s 3 有触发电压导通，变换器工作在模式1 ，因为此时 段有u b 0 和u s 9 = 0 ，即开关管s 1 0 承受反向电压，即使其有触发电压，也不会导通，说 明此非互补控制策略不会发生共态导通现象。 时段【t l ，t 2 】：开关管s 7 和s 1 0 导通分别为电感l i 和l 2 中的电流提供续流回路。此 时段因为有u s l o 0 和i l 2 0 ，且滤波器前端无电压输出，所以开关管s l o 自动被触发导通。 变换器工作于模式3 。 时段 t 2 ，t 3 】：开关管s 5 和s 7 导通，变换器工作在模式2 。同样此时段因为有u b 0 和u s 9 = o ，即开关管s l o 承受反向电压不会导通。 时段 t s ，t 4 1 此时段的工作方式同时段 t l ，t 2 】。 状态c l t c ，t d l ：此状态u o 0 ，功率流从负载侧流向输入电源侧。时段， 如为一个开关周期。 时段 t o ，t 5 】：因为此时由于触发电压u s l o 0 ，同时电感b 中电流i r a 0 ，因此开关 管s l o 优先于开关管s 3 和s 5 导通工作，为电感l 2 提供续流回路。虽然开关管s 3 和s 5 1 9 3z e t a 式三电平交交直接变换器的非互补控制策略和稳态工作特性 硕士论文 的触发电压均大于零( u s 3 0 和u s s 0 ) ，也不会导通，因为若它们之一导通工作，滤波 器前端输出电压就会小于零，加速开关管s l o 的导通，s 1 0 一旦导通输出滤波器前端电压 就被箝制在零电压，故开关管s 3 和s 5 两端承受反向电压，不会导通。此时段变换器也 不会发生共态导通的现象，变换器工作于模式3 。 时段 t 5 ，t 6 - 开关管s l 和s 3 导通工作，变换器工作在模式1 。此时段因为有u s o ，也不会导通。此时段 变换器也不会发生共态导通的现象。 时段 t 6 ，t 7 】：此时段变换器的工作方式同时段心，t 5 】。 时段 t 7 ，t d 开关管s 5 导通工作，变换器工作在模式2 。同样此时段因为有关系式 u b 0 和u s l o = o ，所以开关管s 9 承受反向电压也不会导通。 在状态d t d ，t d 内，变换器的工作类似于状态b ，同样状态a e t a ，t b 内，变换器的 工作类似于状态c 。 开关管s 3 ( s 4 ) 、s s ( s 6 ) 和s l o ( s 9 ) 的开关状态代表三种工作模式，在非互补控制策略中， 可以看出各个模式对应开关管的触发电压信号不是互补的，而是在时间上有交叠。利用 低频信号及交叠信号同时出错概率小的优点，可有效防止模式切换时发生共态关断现 象，同时从分析可以得出也可有效防止共态导通现象的出现，所以非互补控制策略大大 提高了变换器工作的可靠性。 例如，前文提到的互补控制策略可能产生的三种异常工作情况，非互补控制策略可 有效解决续流问题。图3 1 中，采用互补控制策略下，在时刻t 8 ，若开关管s 4 的触发信 号提前at l 时间消失，又时刻t 9 ，若开关管s 6 的触发信号延时at 2 时间才出现，那么电 感l 2 中的电流在时间段at l 和at 2 内将没有回路流通，导致错误。还有若s 9 的触发脉冲 提前消失或延时产生，都会产生同样的错误。但是在非互补控制策略下，前两种情况发 生时，由于功率管s 9 有低频触发信号，因为输出滤波器前端无电压，功率管s 9 会自动 触发导通，给电感l 2 中的电流提供续流回路；后一种情况如发生，一般发生在信号沿 附近，即状态a 时段，此时段s 9 的触发信号为高频，而此时段功率管s 4 、s 6 和s 9 的触 发信号交叠，若s 9 信号缺失，s 6 将被触发导通提供续流回路，由于s 4 同模式还有串联 的功率管s 2 ，此时刻无触发电压，故即使s 4 有交叠脉冲，对应的模式也不会导通，从 而也不会发生模式切换时的共态导通问题。可以看出非互补控制策略利用交叠的控制信 号同时发生缺失概率特小的优点，大大提高了变换器的可靠性。 值得指出的是，此非互补控制策略，在双向功率流时均实现非互补控制，且变换器 输出滤波器前端输出电压均为三电平。此非互补控制策略适用于带不同负载。 3 3z e t a 式三电平交交直接变换器的稳态工作特性 根据图3 1 的非互补控制原理图，下面计算z e t a 式三电平交交直接变换器的工作 硕士论文 z e t a 式多电平交交直接变换器研究 特性，各元器件参数之间的关系。计算时定义一个开关周期内的参数如式( 3 1 ) 式( 3 3 ) 所示，且均假设电感中电流为连续工作模式( c c mm o d e ) 。 五= t 4 一气 q 2 警 ( 3 1 ) ( 3 2 ) d 2 = 毕 ( 3 3 ) f 1 当变换器工作稳定后，模式1 和2 对应的占空比d l 和d 2 近似不变且相等，定义其 等于d ，由工作原理知d 的变化范围为( o ，o 5 ) ；时间t l 也近似不变，为开关周期时间 t 。，等于三角载波周期t 。的两倍。即如式( 3 4 ) 和式( 3 5 ) 所示。同时变换器稳定工 作后有关系式( 3 6 ) 。 d i = d 2 = d( 3 4 ) 互= 互= 2 乃 ( 3 5 ) 1 乞一= t 4 一t 3 = i 一d ( 3 6 ) 3 3 1 主要电压之间的关系 电感l l 和l 2 工作在连续电流模式，并且变换器工作于升压变换方式，那么电感l l 、 l 2 和电容c 1 、c 2 的电流波形如图3 3 所示。忽略输入滤波器，一个开关周期 t b ，t 4 内电 感电流的变化量计算如下文所示。 l 太 、 _ 、 7 、 、h一， 一 f 、 、 h i i 、 、已 b z f 1 乙 f 17 2 3 、 、 。 、 、 t 。 l 1 、 、 一 t 聊l乙i 、t 图3 3 升压变换方式时电感、电容中的电流原理波形 2 l 如 n 谚 n 翻d 3z e t a 式三电平交交直接变换器的非互补控制策略和稳态工作特性 硕上论文 时间段 t b ，t i ，变换器工作在模式1 ，电感l l 和l 2 中的电流变化量如式( 3 7 ) 和式( 3 8 ) 所示( 由于变换器工作的开关频率高，计算时电感中电流的变化均采取近似线性计算) 。 鹕h ( 伊掣。z ( 3 - 7 ) 部) = 盟半d r ( 3 8 ) 时i 司段 t l ，t 2 】，燹换器i 作在模式3 ，电感l l 和l 2 中的电流变化量如式( 3 9 ) 和式( 3 1 0 ) 所示。 讹h ( f 1 ) = 二半( 三圳c ( 3 9 ) 幺( 妒屯( f 1 ) = 二半( 圭圳互 ( 3 1 0 ) 时间段【t 2 ，t 3 】，变换器工作在模式2 ，电感l l 和l 2 中的电流变化量如式( 3 11 ) 和式 ( 3 1 2 ) 所示。 乞( 岛) 一屯( f 2 ) ：掣d 互 ( 3 1 1 ) 幺( 岛) 一幺( 乞) ：丝垒掣d 乃 ( 3 1 2 ) 时间段 t 3 ，t 4 】，变换器工作在模式3 ，电感l l 和l 2 中的电流变化量如式( 3 1 3 ) 和式 ( 3 1 4 ) 所示。 鹕心= 二半( 丢_ d ) z ( 3 1 3 ) 屯( 伊i 。( t 3 ) = 二半哇1 - d ) 乃 ( 3 1 4 ) 当变换器i 作开关频率很高时，一个开关周期内电源电压、电容电压、输出电压近 似不变，即如式( 3 1 5 ) 式( 3 1 7 ) 所示，同时有电感中电流的充放电平衡，即如式( 3 1 8 ) 所示。 ( 乇) = u i ( ) = u i ( f 2 ) = 坼( 毛)( 3 1 5 ) u q ( ) = 。乞( 毛) = “c j ( f 2 ) = “c l ( f 3 ) ( 3 1 6 ) “。( 厶) = u o ( t 1 ) = u 。( f ) = u o ( 厶)( 3 1 7 ) 屹= 0 = 她： ( 3 1 8 ) 硕士论文 z e t a 式多电平交交直接变换器研究 将式( 3 7 ) 、 ( 3 9 ) 、( 3 11 ) 、 ( 3 1 3 ) 相加，并且将式( 3 1 5 ) 、 ( 3 1 6 ) 相 式( 3 1 8 ) 代入，计算后得到电容c l 两端电压表达式，如式( 3 1 9 ) 所示。同理可以计 算得到输出电压的表达式，如式( 3 2 0 ) 所示，将其对d 求导可得式( 3 2 1 ) ，可知其 为d 的增函数，输出电压u o 随着占空比d 的增大而增大，在理论上，当d = 0 5 时，达 到其最大值1 5 b i ( t ) 。 ( f ) = 而d 删 ( 3 1 9 ) 啪) = 半芋讹) ( 3 加) 百d u o ( d ) = 等等纵d ( 3 2 1 ) 3 3 2 电感l i 和l 2 中电流连续工作条件及连续时纹波电流系数 根据上述的分析和图3 3 中电感l l 和l 2 电流波形，可以得到电感l 1 和l z 中平均电 流表达式，分别如式( 3 2 2 ) 和式( 3 2 3 ) 所示。 琵= 乞( 气) + 丢( 鹕。) 一屯( 伽= 屯( 气) + 篆d ( 3 2 2 ) 恐= 乞瓴) + 1i 1 【么( ) 一乞( 毛) ) d l + 圭( 幺( 矗) 一幺( 乞) ) 亏1 一d ) 互+ 丢( 幺( 如) 一幺心) ) d r , + 三( 幺心) 一幺( 乙) ) 哇一d ) i + ( 幺也) 一乞( 如) ) ( 寺一d ) i + ( 么( 岛) 一七( f 。) ) 。号t1 1 = 幺( 乇) + 丢 丢半。z 。霉+ 互1i u o 、i 1 一。) z ( 三1 一。) i + p 2 3 丢丁u 。- - u id t d i + 三1i u o 1 一d ) i 哇一d ) z + _ $ 1 。乙- - 一u i 。l j 1 一。) 互+ r u ok i 1 一。) 乃詈 = 么( 乙) + 等d ( 1 一d ) 由于变换器拓扑结构的特殊性，同时根据一个开关周期内电容中平均电流近似为 零，电感l l 和l 2 中平均电流还有如式( 3 2 4 ) 和式( 3 2 5 ) 所示的关系式。在理想情况 下，输入输出功率相等，即如式( 3 2 6 ) 所示。 琵= u _ _ r c o ( 3 2 4 ) i i = d i q + 2 d i t a ( 3 2 5 ) 2 3 3z e t a 式三电平交交直接变换器的非互补控制策略和稳态工作特性硕士论文 即云：萼 ( 3 2 6 ) 由式( 3 2 0 ) 、式( 3 2 4 ) 、式( 3 2 5 ) 和式( 3 2 6 ) ，可得到电感l l 中的平均电 流如式( 3 2 7 ) 所示。 五：i u i d 百2 ( 百2 - d ) ：_ u i p 百o d _ 2 ( 百2 - d ) ( 3 2 7 ) z ， = 一= ：一 j z ，- 咱 r ( 1 一d ) 2眈( 1 一d ) 2 v 7 为求得连续电流模式下的临界值电感值，只需令i l l ( t b ) = o - - - - - i l 2 ( t b ) ，再通过式( 3 2 2 ) 和式( 3 2 7 ) 的相等关系，可以算得电感l l 中电流工作在c c m 需满足的条件如式( 3 2 8 ) 所示。同理通过式( 3 2 3 ) 和式( 3 2 4 ) 的相等关系，可以算得电感l 2 中电流工作在c c m 需满足的条件如式( 3 2 9 ) 所示。 厶巩= 勰 ( 3 2 8 ) 厶厶。：堑生娑 ( 3 2 9 ) “ 2 ( 2 一d 1 、 从图3 3 中可以看出，电感l l 中纹波电流的变化值如式( 3 7 ) 所示，用其除以电 感l 1 的平均电流( 式( 3 2 7 ) 所示) ，可以得到电感l l 中纹波电流系数k l l 如式( 3 3 0 ) 所示。同理可知电感l 2 中纹波电流的最大变化值如式( 3 8 ) 所示，进一步计算得式( 3 3 1 ) ， 同样用其除以电感k 的平均电流( 式( 3 2 4 ) 所示) ，得到电感l 2 中的纹波电流系数 k l 2 如式( 3 3 2 ) 所示。 尼，：篁：丝d 弘旦丝：r t s ( 1 - d ) 2 ：u 0 2 t s ( i - d ) 2( 3 3 0 ) q f 厶厶5 “f d 2 ( 2 - o )厶d ( 2 一d ) p o l a d ( 2 一d ) 、7 出l 。m a x = 鼍p 晔警舞 3 ， j i ，：全生：盟( 1 - d ) 2 一r ：r t ，( 1 - d ) 2 ：u 0 2 t ，( i - d ) 2 ( 3 3 2 ) 幻 f 岛乞( 2 一d ) 厶( 2 一d )乞厶( 2 一d ) 、7 3 3 3 电容c l 和c 2 两端的纹波电压系数 由变换器的工作原理，在时间段 t b ，t 1 ，变换器工作在模式1 ，电容c l 中电流就等 于输出滤波电感l 2 中的电流，与参考方向相反，在时段 t l ，切，电容c l 中电流等于电 感l l 中电流，与参考方向相同。对流过电容c l 中的电流大于零部分( 或者小于零部分) 进行积分，可以计算得到电容c l 两端的纹波电压变化值如式( 3 3 3 ) 所示，因此可以算 得电容c l 两端的纹波电压系数k c l 如式( 3 3 4 ) 所示。 硕士论文z e t a 式多电平交交直接变换器研究 a u g = q l g 。= 吉r 神肛事心一o ：上丝望：堡二拿2 ( 1 一d ) 疋：u i l d 2 ( 2 - d ) gr ( 1 - d ) 2 、 一 r c l ( 1 一d ) 七：a u c , ： 2 “q 2 “f z d 2 ( 2 一d ) 1 一dt , d ( 2 一d ) p o t ，d ( 2 一d ) _二二-_=_-_-_-_一一=_-_-_-。-_-一=一 r c l ( 1 - d ) d u ；尺c l眈c l ( 3 3 3 ) ( 3 3 4 ) 电容c 2 中电流i c 2 为输出滤波电感l 2 中电流减去负载电流，下面将通过式( 3 3 5 ) 和式( 3 3 6 ) 证明与时间轴上时段 t b ，t i 】和时段 t 2 ，t 3 】的交点t m i 和t 1 2 ，为各自时段的 中点，如图3 3 所示。 三( 幺( 毛) 一乞( 乇) ) = j 1 半。互= 警= 。i 2 一幺( 吃) ( 3 3 5 ) 幺州+ 拙1 m ) ) - 一羚1 嘲+ 圭警朋 ( 3 3 6 ) ：一u , t s d i 了( 1 - 一d ) ：一( - 岛一t ( 乙) ) 。 = 一一= 一， 一z - - 式( 3 3 5 ) 和式( 3 3 6 ) 的值大小相等，正负相反，证明电容c 2 中电流i c 2 与时间 轴上时段 t b ，t 1 矛n 时段 t 2 ，t 3 的交点均为各自时段的中点。则变换器升压工作情况下电 容c 2 上的纹波电压，如式( 3 3 7 ) 所示。 屹= 鲁= 击取出= 击哇掣等+ 三2 坐坚2 也+ 丛生2 型 ( 三2 一d ) z + 1 2 坐型2堕2 ) j 、 j ， =提警丝+三(掣+百u-u，w一1嘲+(337)2222222c ，。 厶 、 厶厶 “、5 、 ! 缈d z 丝】 2 2 _ 2 。2 “i d 2 = = 二- 二- - 一 8 c 2 厶 因此可以算得变换器升压工作情况下电容c 2 两端的纹波电压系数k 如s t 如式 ( 3 3 8 ) 所示。 k ch 产生：监旦! 二里一一型坠型 ( 3 3 8 ) ：, 一岫2 i 2 奄2 i 2 。d ( 2 - d ) u i2 _ 8 c 2 l 2 ( 2 - d ) 【3 3 ” 当变换器工作在降压变化模式时，并且电感l 1 和l 2 中的电流仍工作在c c m 状态， 那么电感l 1 和l 2 ，电容c 1 和c 2 中电流波形如图3 4 所示。以上变换器工作于升压模式 3z e t a 式三电平交交直接变换器的非互补控制策略和稳态工作特性 硕士论文 时的式( 3 7 ) ( 3 3 6 ) 仍然适用。但是电容c 2 两端的纹波电压有变化，由图3 4 可知， 计算阴影部分即可得纹波电压最大变化值。 z c 2 0 一z 卜一 、- 一- - - - - - -一， 一 f 一一 冬 一 弋 ；一 _ - 一 乞 2122z3 24 f l 、- - _ 、- - - - 、 - - - - - 、 f 么飞、l一 么。z ：y 以y r 一 ， 图3 4 变换器降压工作时电感、电容中电流波形 由前文分析知电容c 2 中电流i c 2 与时间轴在时段 t b ，t 1 上的交点t m l 为此时间段的 中点。下面计算与时间段 t 1 ，t 2 的交点t x ，有关系式( 3 3 9 ) ，可得到t x 如式( 3 4 0 ) 所 示。所以电容c 2 两端的纹波电压最大值如式( 3 4 1 ) 所示，进而得到降压变换时电容 c 2 两端的纹波电压系数k c 2b k 如式( 3 4 2 ) 所示。 争化一) ：导( 幺( ) 一么( 气) ) ：下u y s d ( 1 - d ) ( 3 3 9 ) f - t , ：t s ( 1 - d ) z 1 2 ( 2 一d ) 一。鲁2 击f c 2 疵= 吉三酩一u + ( 一伽避( 幺( ) 一幺( 枷) ：上三f 里墨+ 圣g 二里2 ：i u , t ，d ( 1 - d ) ：u , t t d ( 1 - d ) c 22 。22 ( 2 一d ) 2 厶8 c 2 厶( 2 - d ) k 一掀= 等u = 爱高， 一 。毯q 如【z u ， 1 一d r ( 1 一d ) 2 一=-二二-一 d ( 2 - d ) u f8 c 2 l 2 ( 2 - d ) 2 ( 3 4 0 ) ( 3 4 1 ) ( 3 4 2 ) 3 3 4 功率开关管两端的电压应力 此变换器的十个功率开关管的电压应力有三种形式：u i - i - h c l 、u i 和u c l ，可见第一种 2 6 珏n 锄 n 纪o 硕士论文z e t a 式多电平交交直接变换器研究 形式值最大，如式( 3 。4 3 ) 所不。变换器的功率管s l 、s 2 、s 7 、s 8 、s 9 、s 1 0 的电压应力 为u i + u c l ，功率管s 3 、s 4 的电压应力为u i ，功率管s 5 、s 6 的电压应力有两种形式，为 u i 和u c l 。在相同输出电压值时，z e t a 型两电平交流斩波器的占空比d z 满足关系式( 3 4 4 ) ， 解得式( 3 4 5 ) 。式( 3 4 6 ) 给出z e t a 型两电平交流斩波器功率管的电压应力，可见z e t a 式三电平交交直接变换器的电压应力小。 吩+ 2 而i t “f ( f ) ( 3 4 3 ) 乙：d ( 2 - d ) 刚l l - q 4 - ) ；一= 一 j - l 一乜 l d 见= 掣 ( 3 4 5 ) 。 1 + d d 。 、。 一础= 击啭) = 击+ d ) - u i ( 3 4 6 ) 3 4 结论 本章详细介绍了提出的z e t a 式三电平交交直接变换器的非互补控制策略，对比分 析了互补控制策略，阐明了非互补控制的可靠性。非互补控制策略利用各模式触发信号 的交叠，低频信号发生错误概率小的优点，有效地保证变换器始终均有模式触发电压， 即使某高频信号缺失、延迟产生或提前消失，也会有相应交叠信号的模式回路开通保证 电感电流续流，即有效防止变换器不同模式切换时发生共态关断现象，同时非互补控制 利用变换器的换流特点，在变换器模式切换时也不会产生共态导通问题，从而可显著提 高变换器的可靠性。同时此非互补控制在双向功率流均实现了非互补控制，且不影响电 路的三电平输出。 本章还详细给出了z e t a 式三电平交交直接变换器的工作特性，为原理样机的设计 提供充分的理论基础。 4z e t a 式三电平交交直接变换器输出滤波器前端电压频谱结构 硕上论文 4z e t a 式三电平交交直接变换器输出滤波器前端电压频谱结构 4 1 引言 多电平技术一方面以低的电压应力适合应用于高电压、大容量的变换领域；另一方 面利用更多的电平数去合成所需要的电压波形，达到减少谐波分量及谐波幅值的目的， 可以减小输出滤波器的体积和重量，同时有效地提高了输出电压波形的质量 2 孓3 1 】。例如， 在多电平d c a c 变换器中，多电平技术利用更多的台阶数去合成正弦波以减少谐波含量， 有更进一步减少谐波的方法，利用混合级联技术，使得在台阶处变为高频脉冲形式，更 有利于滤波 3 i 】。 当输出滤波器前端电压为高频工作时，大部分谐波与开关频率相关，很容易通过低 通滤波器滤除，可以有效减小滤波器的体积和重量。而目前国内外高频斩波方式的a c a c 直接变换器的研究开始增多【1 。卜1 8 】，所以将多电平技术应用到a c a c 直接变换器上具有重 要的理论研究价值和广泛的应用领域。本章节分析多电平技术应用于a c a c 直接变换器 中的谐波减少效果【4 3 1 ，重点研究z e t a 式三电平交一交直接变换器输出滤波器前端电压的 频谱结构，对比分析具有滤波器结构的b u c k 型和c u k 型两电平交流斩波器的频谱结构 ( 当然具有滤波器结构的两电平交流斩波器拓扑中，也有z e t a 型，考虑到其频谱结构和 c u k 型两电平交流斩波器相同，本章不再讨论) ，证明三电平的谐波减少优势。 4 2z e t a 式三电平交交直接变换器输出滤波器前端电压频谱结构 由前文对z e t a 式三电平交一交直接变换器的控制策略、工作原理和主要参数之间的 关系分析知道，当变换器工作在稳定状态时，其滤波器前端输出电压u b 的示意图如图 4 1 所示，其可分解为几个函数的组合，如式( 4 1 ) 所示。 2 8 一 “f _ r “c l 广ui 鬲n 卜 一恐n u u u ll u l l u u y 一sn _ r r 几几r r r 几nn 几几几r n 图4 1z e t a 式三电平交交直接变换器输出滤波器前端电压示意图 硕士论文 z e t a 式多电平交交直接变换器研究 姒归妣) ( 讹) + 味嘞+ 一争州垆而1 批) + 一手) ) 姒f ) 其中u i ( t ) 天 t 3 输入电源电压，周期函数d ( t ) 的一个周期内的值如式( 4 2 ) 所示。 10 t d z d ( f ) 2 od 互 f 乏 将周期函数d ( t ) 分解为傅立叶级数相加的情形，如式( 4 3 ) 所示。 d ( t ) - d 嘻去s i n ( 撕胁( n 鸭t - d n x ) ( 4 1 ) ( 4 2 ) ( 4 3 ) 其中：q = 等 ( 4 4 ) 假设输入电压珞( t ) = x z u s i n c o t ，将其及d ( t ) 代入式( 4 1 ) 中计算如式( 4 5 ) 。 铲岛叭喜去s i n c 腑炳c n 致t - d m r 卅 。+ 喜去咖( 撕炳愀一争咖】) 压r ， s i n ( d n x ) c o s ( n a j , t - d n x ) x 2 u s i nc o t n 万 ：2 d ( 2 - d ) u s i n c o t + 争! 业：! ! 二丝塑s i n ( 觑万) 1 一d鲁1 一d 7 、7 【s i n ( n a ) + c o t d n x ) 一s