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1、Buck 三电平变换器在水冷磁体电源中的应用 李晨琨 刘小宁 陈思明 中国科学院合肥物质科学研究院强磁场中心 中国科学技术大学 摘 要： Buck 三电平变换器具有减小输出电压纹波、降低开关管电压应力等优点, 考虑将该变换器应用到强磁场中心的水冷磁体电源中, 可大大优化电源性能。介绍了 Buck 三电平变换器的工作原理, 对其进行参数设计和控制方法分析, 并搭建了 Matlab/Simulink 仿真模型, 比较原方案和新方案的运行情况。仿真结果显示新方案显著减小了输出电压纹波。关键词： 三电平变换器; 脉宽调制; 交错控制; Simulink; 作者简介：李晨琨 (1991-) , 男, 硕
2、士研究生, 主要研究方向:电力电子技术。作者简介：刘小宁 (1962-) , 男, 研究员, 主要研究方向:电力电子技术。作者简介：陈思明 (1987-) , 男, 博士研究生, 主要研究方向:电力电子技术。收稿日期：2017-03-15Application of buck three-level converter in power supply for water-cooled magnetLi Chenkun Liu Xiaoning Chen Siming High Magnetic Field Laboratory of the Chinese academy of Science
3、s; University of Science and Technology of China; Abstract： As the voltage stress of switches and the ripple of output voltage can be reduced effectively, the application of buck three-level converter would optimize the circuit design in power supply for water-cooled magnet. The operation of buck th
4、ree-level converter are analyzed as well as parameter design and control method, and the Matlab/Simulink models are structured mainly based on the two circuit schemes, which validate the theoretic analysis results that the new scheme reduce the output ripple more significantly.Keyword： three-level c
5、onverter; pulse width modulation; interleaved control; Simulink; Received： 2017-03-150 引言中科院强磁场中心的 40 T 稳态强磁场装置的磁体由内水冷磁体和外超导磁体两部分组成, 它们对磁体电源的电压稳定度均有一定要求。目前内水冷磁体电源的整流部分是三相可控硅整流电路, 输出电压纹波较大, 对此本文提出了一套新的整流方案。自 1981 年日本的 Akira Nabae 教授提出了中点箍位逆变器1之后, 越来越多的三电平电路出现了。其中 Buck 三电平 (Three-Level, TL) 直流变换器对开关器件
6、耐压要求低, 输出纹波小, 适用于高电压大电流场合。本文阐述了 Buck TL 变换器的基本情况与优点, 提出利用 Buck TL 变换器结合三相不控整流电路来替代可控硅整流电路的水冷磁体电源整流方案。文中对电路进行了参数计算和仿真设计, 并分析仿真结果得出了结论。1 简介1.1 基本情况Buck TL 变换器电路图如图 1 所示。C d1和 Cd2是分压电容, 容量大且相等, 理想工作状态下其电压均为输入电压 Vin的一半;Q 1、Q 2是开关管, D 1、D 2是续流二极管;L f是滤波电感, C f是滤波电容, R ld是负载。图 1 Buck TL 变换器的电路图 下载原图Buck T
7、L 变换器与典型的 Buck 变换器有相似之处:它们都是 DC/DC 降压变换器;都可用 PWM 方式控制电路;电感电流连续时都有 Vo=DVin (D 为占空比) ;输出端与负载之间都有一个 LC 滤波电路。不同之处在于:Buck TL 变换器有两个开关管 Q1、Q 2, 它们交错工作, 驱动信号相差 180相角;输入到 LC 滤波器中的电压具有 Vin、0.5V in、0 三种取值;当 D0.5 和 D0.5 时, 变换器工作在三电平模式 (Three-Level Mode, 3L Mode) 。(1) 开关模态 1t0-t1阶段和 t2-t3阶段。Q 1、Q 2开通, 电感电流 iLf上
8、升, AB 端电压 VAB=Vin;此时 Cd1、C d2上没有电流通过。(2) 开关模态 2t1-t2阶段。Q 1开通, Q 2关断, i Lf下降, V AB=0.5 Vin;此时 Cd1放电, C d2充电。图 3 三电平模式下的主要波形 下载原图(3) 开关模态 3t3-t4阶段。Q 1关断, Q 2开通, i Lf下降, V AB=0.5 Vin;此时 Cd1充电, C d2放电。分析开关模态 2, 开关模态 2 时的等效电路如图 4 所示。图 4 开关模态 2 时的等效电路 下载原图如图 4 所示, 此时 Cd1放电, C d2充电。设通过 Cd1、C d2和 Q1的电流大小分别为
9、id1、i d2、i q1, Cd1和 Cd2两端的电压大小分别为 ud1和 ud2。已知 Cd1=Cd2。由基尔霍夫定律知 id1+id2=iq1, Vin=ud1+ud2, 则两电容电压的变化量在任意时间内都相等, 即 u d1=u d2。由电容充放电公式有:可推得 id1=id2=0.5iq1。设电容电压在 t1-t2阶段的变化量 u d1=Umd1。取 Umd1为 Ud1的 10%, 则Umd1=0.10.5Vin=41.2 V。设输出电压稳定在 500 V, 则负载电流 iR=Uo/Rld=100 A。结合 iq1=iL, IL=IR, 代入电容充放电公式:得分压电容 Cd1=Cd2
10、=9.5310F。2.3 输出滤波器已知输出电压最大谐波为 6 次谐波, 则取截止频率为 300 Hz, 可代入再结合经验公式:可算得 L=2.6510H, C=1.0610F。3 分压电容均衡问题Buck 三电平变换器正常工作的前提是两个分压电容的电压保持相等。但在实际电路运行时, 由于控制电路、驱动电路或两开关特性不同, 两开关管的导通时间会有差异, 它们所接受或提供的能量也不同, 最终导致两电容电压不相等。解决该问题的基本思路是:检测两电容的电压, 若 Ud1大于 Ud2, 则增大 Q1导通时间, 同时减小 Q2导通时间, 反之亦然。这样两电容电压波动不大, 可以稳定在 0.5 Vin附
11、近。仿真时可采样两电容电压进行对比, 利用脉冲宽度调制方式 (Pulse Width Modulation, PWM) 调整开关管的导通时间。除了均衡电容电压的控制环, 还有一个电压环用于保持输出电压的平衡。4 仿真设计用 Matlab Simulink 搭建替代可控硅整流电路的方案, 即三相不控整流电路加Buck TL 变换器。原整流方案及新整流方案分别如图 5 和图 6 所示。图 5 原整流方案仿真 下载原图图 6 新整流方案仿真 下载原图设定好参数, 进行 Simulink 仿真。5 仿真结果分析设定输出电压为 500 V, 用示波器和 FFT 工具对输出电压进行分析。图 7 显示原可控
12、硅整流方案的仿真输出电压波动 u 1约为 400 V。图 8 显示了原整流方案仿真电压的直流量和主要谐波。其中直流量 UT0=498.15 V, 6 次谐波 UT6=168.24 V, 12 次谐波 UT12=52.77 V, 18 次谐波 UT18=24.35 V。图 7 原整流方案仿真输出电压 下载原图图 8 原整流方案仿真输出电压谐波分析 下载原图图 9 显示了新整流方案的仿真输出电压波动 u 2不超过 5 V。图 10 显示了新整流方案仿真电压的直流量和主要谐波。新整流方案仿真电压直流量 UB0=500.8 V, 6 次谐波 UB6=1.8 V, 12 次谐波 UB12=0.62 V,
13、 18 次谐波UB18=0.52 V。对比数据可知:相比原可控硅整流方案, 应用 BuckTL 变换器的新整流方案具有误差更小、更稳定的输出电压, 各次谐波也大大减小。图 9 新整流方案仿真输出电压 下载原图图 1 0 新整流方案仿真输出电压谐波分析 下载原图6 结论本文通过分析 Buck TL 变换器的工作原理给出了参数设计的方法, 提出分压电容均衡问题的解决思路并在仿真电路中实现。最后运行仿真电路得出结论:应用Buck TL 变换器的新整流方案可大大减小输出电压纹波, 增加电压稳定度。参考文献1NABAE A, TAKAHASHI I, AKAGI H.A new neutralpoint-clamped pwm inverterJ.IEEE Trans.on IA, 1981, 17 (5) :518-523. 2李斌.三电平变换器的研究D.南京:南京航空航天大学自动化学院, 2002. 3陈坚, 康勇, 等.电力电子学:电力电子变换和控制技术M.北京:高等教育出版社, 2011. 4薛雅丽, 李斌, 阮新波.第十五届全国电源技术年会论文集C.上海:中国电源协会, 2003.
