1、电力电子变压器设计 张甜 西安石油大学电子工程学院 摘 要： 电力变压器的体积大、质量重的问题在电力系统中一直存在。设计的电力电子变压器支持宽范围、多频率的交流电压输入, 且具有功率因数校正的功能。该电力电子变压器由两级构成, 前级是基于 UCC28019 的 400V/350W PFC 电路, 输出了 PFC 实验波形, 后级是基于 STM32 的 SPWM 全桥逆变电路。关键词： 电力电子变压器; PFC; SPWM; 收稿日期：2017-11-3Design of Power Electronic TransformersAbstract： Electric power system h
2、as a large volume, the quality of the shortcomings in the power transformer.The design of the power electronic transformer supports a wide range, multi-frequency AC voltage input, and has a power factor correction function.The power electronic transformer consists of two stages, the former is based
3、on UCC28019 400 V/350 W PFC circuit, the latter is based on STM32 SPWM full-bridge inverter circuit.Keyword： Power electronic transformer; PFC; SPWM; Received： 2017-11-3本文研究的电力电子变压器与传统变压器相比, 利用的是半导体电力开关器件组成的开关电路, 可以更高效地实现电力变换, 如电压、电流、频率、相位等变换, 具有体积小, 重量轻, 幅值稳定的优点, 但其控制复杂。1 总体方案设计总体设计方案如图 1 所示, 此方案由前
4、后两级电路构成。前级是一个400V/350W 的 PFC 电路, 此电路首先对 220V 交流电压进行整流滤波, 然后再经过以 UCC28019 为控制器的 Boost 升压电路输出直流电压, 并以此直流电压作为后级的母线电压。为把前级提供的直流电压逆变为需要的交流电压给负载供电, 所以后级设计了一个以 DSP28335 为控制器的单相全桥逆变电路。本设计最终目的是实现电能的 AC-DC-AC 的转变。图 1 总体设计方案 下载原图2 Boost PFC 变换器研究设计该电路的目标是:使交流输入电流与交流输入电压同相位, 即 cos 覬=1, 保证从电网输出的电流为正弦波。则相对于电网而言 B
5、oost 变换器是一个纯电阻负载 Re。设整流后的电压为 ui1, 流过电感的电流为 iL, 则:整流后的电压为 ui1是 Boost 变换器的输入电压。设 Uo是其输出电压, 则:将式 (1) 代入如式 (2) 得:在 (3) 的左右两边乘以 Rs, 整理得:将式 (2) 代入式 (4) 得:由式 (5) 可以看出电感电流 iL始终跟踪整流后电压 ui1, 即输入电流跟踪了输入电压, 实现了功率因数校正。设 um=uoRS/Re代入式 (4) 得:则 Boost-PFC 实现单周控制目标方程为:图 2 基于 UCC28019 控制的 Boost-PFC 电路原理 下载原图其中 Ts为开关周期
6、。基于 UCC28019 控制的 Boost-PFC 电路如图 2 所示。电压误差放大信号 Um是由参考电压 Uref与输出电压反馈信号 U 的差值经过 PI 调节器调节后得到的, 输入交流电压 ui经过 Bridge Rectifier 得到的 ui1, 与 um相比较。当功率开关导通时, 积分器开始积分, 达到理想值的时候, 断开开关S。主电路的参数依次为:输入电压为 180260V/50Hz, 工作频率为 65k Hz, 输出直流电压为 380V, 额定输出功率为 350W, 实验结果如图 3 所示。在图 3a 中, 深色曲线代表的是输入的电压值, 浅色代表的是输入的电流, 在 b中浅色
7、代表的是输出的电压, 深色代表的是输出的电流。从实验波形表明, UCC28019 的单周期控制 PFC 具有良好的效果, 达到了预期的目标, 具有较高的PF 值和效率。3 单相 SPWM 逆变电路的研究逆变电路的主电路如图 4 所示。由直流侧电容、4 个 MOSFET、LC 滤波电路构成。主电路中 MOSFET 选用 IRF460, 其中同一桥臂的上下管不容许出现直通现象, 否则会导致开关管烧毁, 故上下管驱动信号要留有死区时间。图 3 前级 PFC 实验波形 下载原图图 4 逆变电路的主电路 下载原图若要使输出电压基波具有幅值、极性周期性变化性质的波, 则 PWM 控制的逆变电路也要采用相同
8、性质的调制波。SPWM 逆变电路调制波采用了标准正弦波作为其调制波, 故对 SPWM 逆变电路输出电压进行滤波就能得到与调制波具有相同性质的基波电压。此设计的 SPWM 调制采用单极性调制, 单极性调制在正弦波的半个周期内, 其电压输出幅值为单极性, 在切换开关状态时, 因为先变为零的是负载端电压, 负载电流在零电压下自然续流衰减, 在控制时间到时再恢复输出直流电压, 其半周期的脉冲列是由零和正负直流电压组成。设计中采用 DSP28335 产生驱动信号, 对于生成的 SP-WM, 由以上关系式, 以DSP28335 中的 EPWM1 模块为例, 计算出比较寄存器 EPWM1Regs.CM-Px
9、 的值为:图 5 基于光耦 TLP250 驱动的电路 下载原图图 6 软件设计流程图 下载原图通过以上推导, 在已知载波和调制波频率及调制比的情况下, 就可以计算出SPWM 正弦表, 根据查表法生成相应的 SPWM 波形。同时根据 (6) 式, 分别超前和滞后 120可以得出 B 相和 C 相的关系式。但因 DSP28335 产生的驱动信号不足, 故本论文设计了基于光耦 TLP250 驱动的电路, 如图 5 所示。软件设计流程图如图 6 所示。在中断服务程序中用查 SPWM 表的方法更新比较寄存器的值和改变调制比实现调压功能。单片机产生的驱动波形如图 7 所示。最终输出的部分变压结果如图 8
10、所示。图 7 产生的驱动波形 下载原图图 8 输出变压部分波形 下载原图4 结束语虽然现在电力电子变压器的使用范围还不广, 但随着技术的不断改进和成本的降低, 在近几年将会应用于更多的领域。参考文献1王兆安, 黄安.电力电子技术M.北京:机械工业出版社, 2014 2胡晗, 刘晓鹏.基于 UCC28019 的高功率因数开关电源设计与实现J.襄樊学院学报, 2009 (3) :20-24 3龚文杨, 王辉.基于单片机与 SPWM 控制的应急电源逆变电路设计J.现代电子技术, 2011 (6) :196-202 4刘青, 徐赟.基于 UCC28019 的高功率因数电源的设计J.电子测试, 2015 (22) :39-41 5SIMON S.ANG.开关功率变换器:开关电源的原理、仿真和设计M.北京:机械工业出版社, 2014 6K Y Ahmed, N Z Yahaya, V S Asirvadam, et al.Modeling and Simulation of Power Electronic Distribution Transformer Based on a Three Level ConverterJ.Applied Mechanics&Materials, 2015 (3) :151-155
