《电子技术应用》

Buck三电平变换器在水冷磁体电源中的应用

2018年电子技术应用第1期
李晨琨1,2,刘小宁1,陈思明2
(1.中国科学院合肥物质科学研究院强磁场中心,安徽 合肥 230088;2.中国科学技术大学,安徽 合肥230026)
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。
中图分类号: TN86
文献标识码: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.171073
中文引用格式: 李晨琨,刘小宁,陈思明. Buck三电平变换器在水冷磁体电源中的应用[J].电子技术应用,2018,44(1):147-150.
英文引用格式: Li Chenkun,Liu Xiaoning,Chen Siming. Application of buck three-level converter in power supply for water-cooled magnet[J]. Application of Electronic Technique,2018,44(1):147-150.

Application of buck three-level converter in power supply for water-cooled magnet

Li Chenkun1,2,Liu Xiaoning1,Chen Siming2
(1.High Magnetic Field Laboratory of the Chinese academy of Sciences,Hefei 230088,China; 2.University of Science and Technology of China,Hefei 230026,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 three-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.

0 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。Cd1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;Q1、Q2是开关管,D1、D2是续流二极管;Lf是滤波电感,Cf是滤波电容,Rld是负载。

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    Buck TL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、Q2,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、0.5Vin、0三种取值;当D>0.5和D<0.5时,变换器具有两种工作模式。 

1.2 优点

1.2.1 电压控制

    电感电流连续时,Vo=DVin。因此Buck三电平变换器对输出电压具有良好的控制特性。

1.2.2 电压应力

    在Vin相同的情况下,Buck TL变换器开关管的电压应力仅为输入电压的一半,是经典Buck变换器的二分之一,大大改善了开关管的工作条件,有利于开关管的选取[2]

1.2.3 电压纹波

    外界条件相同的情况下,Buck TL变换器与传统Buck变换器相比,输出电压的纹波更小。

2 参数计算

    结合水冷磁体电源电路的实际情况与本文提出的整流方案,对Buck TL变换器进行参数设计。负载取纯电阻Rld=5 Ω;开关管取IGBT,开关频率为10 kHz。

2.1 输入电压

    如图2所示,三相电压经变压器输入到可控硅整流电路,线电压有效值V1=610 V。根据三相不控电路的原理,其输出直流电压平均值V2=1.35V1=823.5 V。

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    三相不控电路输出电压除直流分量外还含有6、12、18等次谐波,其中6次谐波最大。已知m脉波整流电压谐波幅值[3]为:

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代入n=6,m=6(K=1),得V6m=47.07 V。

    忽略高次纹波,Buck TL变换器的输入电压为vin=823.5+47sin600πtV。

2.2 分压电容

    首先分析分压电容的充电过程。Buck TL变换器有三电平和两电平两种工作模式[4],在三电平模式下进行分析,三电平模式下的主要波形如图3所示。

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    D>0.5时,变换器工作在三电平模式(Three-Level Mode,3L Mode)。

    (1)开关模态1

    t0-t1阶段和t2-t3阶段。Q1、Q2开通,电感电流iLf上升,AB端电压VAB=Vin;此时Cd1、Cd2上没有电流通过。

    (2)开关模态2

    t1-t2阶段。Q1开通,Q2关断,iLf下降,VAB=0.5 Vin;此时Cd1放电,Cd2充电。

    (3)开关模态3

    t3-t4阶段。Q1关断,Q2开通,iLf下降,VAB=0.5 Vin;此时Cd1充电,Cd2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。

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    如图4所示,此时Cd1放电,Cd2充电。设通过Cd1、Cd2和Q1的电流大小分别为id1、id2、iq1,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Δud1=Δud2。由电容充放电公式有:

    dy5-gs2-3.gif

可推得id1=id2=0.5iq1

    设电容电压在t1-t2阶段的变化量Δud1=Umd1。取Umd1为Ud1的10%,则Umd1=0.1·0.5Vin=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:

     dy5-gs4-5.gif

得分压电容Cd1=Cd2=9.53×10-5 F。

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

     dy5-gs6-7.gif

可算得L=2.65×10-3 H,C=1.06×10-5 F。

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。

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    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显示原可控硅整流方案的仿真输出电压波动Δu1约为400 V。

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    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。

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    图9显示了新整流方案的仿真输出电压波动Δu2不超过5 V。

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    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,18次谐波UB18=0.52 V。

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    对比数据可知:相比原可控硅整流方案,应用Buck TL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。

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

[1] NABAE A,TAKAHASHI I,AKAGI H.A new neutralpoint-clamped pwm inverter[J].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.

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