使用電力電子變壓器進(jìn)行調(diào)壓近年來(lái)得到快速發(fā)展，其主要性能有：無(wú)電網(wǎng)污染；輸出電壓穩(wěn)定；功率因數(shù)可調(diào)；具有高度的可控性；具有可靠的電路檢測(cè)保護(hù)功能 。因此，研究體積小、質(zhì)量小、效率高的電力電子變壓器來(lái)取代工頻變壓器成為了現(xiàn)階段的一個(gè)主要研究課題。

電力電子變壓器交流調(diào)壓

電力電子變壓器的設(shè)計(jì)思路源于具有高頻鏈接的AC/AC變換電路。它是一種含有電力電子變換器且通過(guò)高頻變壓器實(shí)現(xiàn)磁耦合的變換裝置，其突出特點(diǎn)在于通過(guò)變換器實(shí)現(xiàn)對(duì)其交流側(cè)電壓幅值和相位的實(shí)時(shí)控制，可實(shí)現(xiàn)變壓器原副邊電壓、電流、功率的靈活調(diào)節(jié) 。電力電子變壓器的實(shí)現(xiàn)方案主要分兩種：一是變換中不含直流環(huán)節(jié)的AC/AC變換；二是在變換中含有直流環(huán)節(jié)的AC/DC/DC/AC變換。其中第二種方案的主電路結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

AC/DC變換器

由圖1可以看到，該電力電子變壓器主要分為三個(gè)模塊：輸入整流級(jí)、DC-DC變換級(jí)和輸出逆變級(jí)?；诂F(xiàn)代電力電子技術(shù)，使用適當(dāng)?shù)姆椒▽?duì)圖中的開(kāi)關(guān)管進(jìn)行控制，該裝置就可以實(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)的工頻變壓器相同的功能。二者相比較，傳輸功率一定時(shí)，電力電子變壓器不僅體積、質(zhì)量比工頻變壓器小的多，而且其性能要比工頻變壓器好。

但基于傳統(tǒng)的整流和逆變方法的電力電子變壓器有兩個(gè)主要缺點(diǎn)：一是對(duì)于大功率、高電壓的電路來(lái)說(shuō)，開(kāi)關(guān)管的耐壓能力有限；二是整流和逆變中用到了太多的開(kāi)關(guān)管，降低了電路運(yùn)行的穩(wěn)定性，增加了能量的損耗，提高了電路成本。因此，針對(duì)電力電子變壓器前端的AC/DC整流部分，文章給出了一種的單級(jí)高頻隔離的三相AC/DC變換器 ，并且在理論上證明了其用于煤礦井下無(wú)工頻變壓器照明電源設(shè)計(jì)的可行性。其具體結(jié)構(gòu)如圖2所示，該結(jié)構(gòu)可以取代圖1中虛線框中的輸入整流級(jí)和DC/DC變換級(jí)。通過(guò)圖1與圖2的對(duì)比可以看出，該結(jié)構(gòu)在實(shí)現(xiàn)AC/DC的過(guò)程中只使用了三個(gè)開(kāi)關(guān)管，開(kāi)關(guān)器件使用的減少可以簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)，減少電路損耗；輸入端采用PWM整流方法，功率因數(shù)可調(diào)且可實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)運(yùn)行；DC/DC環(huán)節(jié)基于正反激電路設(shè)計(jì)，可穩(wěn)定輸出電壓。
[page]
該單級(jí)高頻隔離三相AC/DC變換器的工作原理為：在輸入整流端采用PWM整流的方法，從而在變壓器原邊Np兩端產(chǎn)生PWM方波；原邊的功率通過(guò)副邊線圈N5傳遞給負(fù)載， Lo和Dd組成了續(xù)流回路，保證了負(fù)載電壓的穩(wěn)定性；變壓器副邊線圈Nd和二極管Dd以及負(fù)載組成的回路作用是給變壓器去磁。這樣就使變換器工作在負(fù)載電流連續(xù)(CCM)和輸人電流斷續(xù)(DCM)的模式下，可以實(shí)現(xiàn)上述各種優(yōu)良性能。

其具體的控制方法是通過(guò)采樣輸入電流和輸出電壓,進(jìn)行坐標(biāo)變換以及閉環(huán)調(diào)節(jié)的設(shè)計(jì)，以此來(lái)調(diào)節(jié)輸入電壓電流（功率因素）和輸出電壓，功率。常用的三相PWM整流方法如中所述，該電路中具體的PWM整流方法是：先定義三個(gè)兩電平調(diào)制變量ma(t),mb(t),mac(t)如下，再通過(guò)矩陣變換產(chǎn)生三電平變量ya(t),yb(t),yc(t),通過(guò)這三個(gè)變量的狀態(tài)來(lái)控制三個(gè)開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通和關(guān)斷。其具體關(guān)系式如下：
由上面兩個(gè)式子得到的開(kāi)關(guān)管控制表見(jiàn)表1。

由控制表得：當(dāng)三個(gè)變量的狀態(tài)為0電平時(shí)，與其相對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)管要關(guān)斷；而其狀態(tài)為非0態(tài)時(shí)，與其對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)管要打開(kāi)。由此，使用ya(t),yb(t),yc(t)產(chǎn)生的PWM波形就可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管的通斷進(jìn)而控制前級(jí)的整流電路的正常工作。

使用高頻變壓器的DC/DC環(huán)節(jié)可以等效成一個(gè)單向的Buck變換器，其等效電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。該電路的工作狀態(tài)可以簡(jiǎn)化描述為三個(gè)階段：① 開(kāi)關(guān)閉合，變壓器磁芯被磁化，電能通過(guò)副邊線圈N 由直流電源E傳遞給負(fù)載；② 開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，電感Lo中的電流通過(guò)二極管Dd續(xù)流，變壓器磁芯通過(guò)去磁繞組Nd經(jīng)負(fù)載回路產(chǎn)生的去磁電流開(kāi)始去磁；③ 開(kāi)關(guān)仍然斷開(kāi)，去磁已經(jīng)完成，但電感Lo仍然通過(guò)Dd續(xù)流。

該電路是基于正反激電路設(shè)計(jì)而成的，通過(guò)恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)方法和參數(shù)可以保證負(fù)載電流的連續(xù)性以及原邊電感的斷續(xù)，只有這樣才能保證三個(gè)工作狀態(tài)正常運(yùn)行。
[page]
電路仿真及分析

為了證實(shí)該電路的有效性，在該電路的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)仿真，其主要參數(shù)為： 相輸入線電壓660V；開(kāi)關(guān)頻率20kHz；輸 功率10kVA；輸出電壓為225V，可以為逆變輸出127V交流提供穩(wěn)定的直流電源。

輸入端電感和電容值分別為175μH和23μH，Np=28，Ns= 12，Nd=3，輸出端電感和電容分別為130μH 和1000μF。輸入電壓及輸入電流的波形和輸出電壓的波形如圖4所示。

將輸入電流放大10倍得到了圖4中輸入電壓和輸入電流的波形，可以看到此時(shí)電壓與電流的波形在相位上基本吻合，此時(shí)的輸入功率因數(shù)較高。通過(guò)閉環(huán)調(diào)節(jié)控制產(chǎn)生相應(yīng)的PWM波形，控制相應(yīng)的開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通和關(guān)斷來(lái)達(dá)到上述目的。

仿真結(jié)果說(shuō)明了該電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在理論上可以實(shí)現(xiàn)煤礦井下照明電源需要的輸入端整流級(jí)及隔離部分的D/DC變換級(jí)，其與傳統(tǒng)的電力電子變壓器中相應(yīng)的結(jié)構(gòu)相比結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，較容易實(shí)現(xiàn)。

結(jié)語(yǔ)

本文解析了單級(jí)三相隔離AD/DC變換器的設(shè)計(jì)。電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)僅用了三個(gè)開(kāi)關(guān)管，簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)，能夠更加靈活的應(yīng)用于煤礦井下的供品變壓器電源設(shè)計(jì)。電路采用PWM整流方法，輸入端功率因數(shù)高，輸出電壓穩(wěn)定可以實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)運(yùn)行。隨著電子電子技術(shù)的發(fā)展，相信這種采用電力電子技術(shù)的電源設(shè)備能夠得到推廣。

相關(guān)閱讀：

影響DC/DC 轉(zhuǎn)換器效率提高的元兇
八大要素PK，看DC/DC變換器該如何選擇？
工程師分享：隔離反激AD/DC電源參考設(shè)計(jì)