电流源变换器总结.docx

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1、目录目录1第一章 电流源型DC/DC变换器21.1 电流源型DC/DC变换器的应用背景21.2 电流源型DC/DC变换器的典型拓扑41.3 电流源型DC/DC变换器的特点6第二章 对偶原则72.1 对偶原则简介72.2 对偶原则的应用7第三章 电流源型逆变器103.1 电流源型逆变器的拓扑结构103.2 电流源型逆变器的研究意义11第四章 电流源型PWM整流器114.1 电流源型PWM整流器的拓扑结构114.2 电流源型PWM整流器的应用场合12参考文献13本文主要包括四章。第一章介绍了电流源型DC/DC变换器的应用背景和常见拓扑；第二章介绍了一种推导电流源型DC/DC变换器的方法对偶原则，并

2、且以电流源型半桥变换器为例，演示了其推导过程；第三章介绍了电流型逆变器拓扑的结构特点及其研究意义；第四章比较了电压源型PWM整流器和电流源型PWM整流器的拓扑，并且详细介绍了电流源型PWM整流器的应用场合。第一章 电流源型DC/DC变换器1.1 电流源型DC/DC变换器的应用背景虽然新能源的开发和利用是解决能源危机及环境污染的有效措施，但是大多数新能源受环境和天气条件的限制，存在能量密度低、电力供应不稳定、不连续等缺点。为了克服上述缺点，可以利用各种新能源之间或新能源与其它能源之间的互补性，构成新能源联合发电系统，从而获得稳定连续的电能1。为了保证不间断供电给负载，常常将可再生能源供电设备与燃

3、料电池、蓄电池等供电装置结合使用，构成新能源联合供电系统，并且对其中的多种能源的功率进行合理分配。图1给出了一种基于直流母线的新能源联合发电系统，为了协调工作，每种能源形式分别通过一个DC/DC变换器进行电能变换，然后将它们的直流输出并联在公共的直流母线上。图1 新能源联合发电系统的架构此外某些新能源联合发电系统，如燃料电池，要求后级变换器的输入电流脉动要小，以降低燃料电池输出电流的脉动，延长燃料电池的寿命，此时需采用电流源型DC/DC变换器。因为电流源型变换器的输入一般是电压源串联一个大电感，自然可以减小输入电流的脉动，比方说最简单的电流源型变换器Boost，其在光伏储能系统中就有较多应用。

4、根据能源的特性以及负载要求，这些变换器可以是电气隔离或非隔离的，能量流动方向可以是单向或双向的。由于每种能源形式均需要一个单输入DC/DC 变换器，因此系统的结构比较复杂，成本较高。在中小功率应用场合，各种能源发电装置一般安置在用户附近，可以用一个多输入变换器(Multiple-Input Converter,MIC)代替多个单输入直流变换器，如图2所示。这样电路结构更加简单，控制更加灵活。图2 基于多输入变换器的新能源联合发电系统1.2 电流源型DC/DC变换器的典型拓扑图3是一个非隔离型多输入的电流源型DC/DC变换器，实际上是两个Boost串联在一起。其电压源和各自的电感串联后可等效成电

5、流源，它们与各自的开关并联后再串联在一起。并且是分时供电的，S1和S2不同时导通，当S1导通时，S2关断，反之，亦然。因此，开关管并联的二极管是必不可少的，因为上半部分工作时，需要D2才能形成完整回路；下半部分工作时，需要D1才能形成完整回路。图4也是非隔离型多输入的电流源型DC/DC变换器，并且同时供电，实质上是两个Boost并联。每个Boost单元均可以独立工作，也可以和另一个单元同时工作。 图3 分时供电型Boost 图4 同时供电型Boost图5 电流源型全桥图6 电流源型半桥电流源型全桥变换器如图5所示，该电路由两个相同的原边电路和一个共用的输出整流滤波电路构成。它是通过高频变压器磁

6、通叠加的方法将两个输入直流电压变换成一个稳定、高质量的输出直流电压，实质上相当于两个全桥Boost型单输入直流变换器在输出端电流的叠加。与单输入变换器相比，该多输入直流变换器每一路需要添加4个阻断二极管，以阻止能量在Uin1和Uin2之间流动。图6是电流源型半桥，与电流源型全桥相比，其结构简单，需要的器件大为减少。二极管D1D4的作用同样是为了阻止能量在Uin1和Uin2之间流动。1.3 电流源型DC/DC变换器的特点对比电压源型和电流源型DC/DC变换器，电流源型DC/DC变换器具有如下优点：电流源型DC/DC变换器的输入电流脉动小，相应电路的EMI很容易满足要求。对于电流源型DC/DC变换

7、器，开关管常常有重叠导通时间，因此不必考虑开关管之间的死区问题。在高输出电压的情况下，如果采用电压型全桥变换器，其输出滤波电感Lf将承受高的输出电压Vo，为了保证足够的耐压，其制作工艺十分困难。电流源型全桥变换器的电感在输入侧，其承受的电压相对较低，且输出整流二极管的电压应力就是输出电压Vo。电压源型变换器，如推挽、半桥和全桥变换器等均存在着变压器磁不平衡的问题。变压器磁不平衡，是指由于在正负半周中作用在变压器上的伏秒面积不相等，引起变压器磁通的不平衡，变压器进入饱和状态2。由于电压源具有很低的阻抗，当磁芯进入饱和后，开关管导通时通过它的电流会迅速增大，最终导致开关管的损坏。电流源型变换器的输

8、入源由电压源和输入电感串联组成，电感具有高瞬态阻抗，因此当变压器磁芯因为磁不平衡而将要进入饱和时，在输入电感上会产生额外的压降，进而减小加在变压器原边绕组上的伏秒积，自动抑制变压器的磁不平衡3。对于电压源型全桥变换器，由于输出滤波电感的存在，在换流期间输出整流二极管D1D4同时导通，当电流从一对整流二极管 D1/D4(或D2/D3)换流至另一对整流二极管 D2/D3(或D1/D4)时，由于二极管存在反向恢复问题，在二极管关断时会产生很大的寄生振荡，二极管承受的电压应力将高于输出电压，整流二极管易损坏。因而，需使用各种无源和有源的吸收电路，以减小反向恢复所造成的电压尖峰。而电流源型全桥变换器在由

9、一对整流二极管导通换成另一对二极管导通的换流期间，两对二极管都不导通，负载能量由输出滤波电容提供。因此二极管不存在反向恢复问题，避免了电压尖峰，从而可以选择电压等级较小的整流二极管。电流源型DC/DC变换器的最大缺点是由于输入侧含有大电感而导致系统的动态性能变差。第二章 对偶原则2.1 对偶原则简介当电压、电流的参考方向关联时，电阻的电压和电流的关系为，电导的电流和电压的关系为，电容的电流和电压关系为，电感的电压和电流关系为。在以上这些关系中，如果把电压u与电流i互换，电阻R和电导G互换，电容C与电感L互换，则对应关系式就可以彼此转换，这些元素称为对称元素。图7为两个对偶电路，图(a)的电路由

10、电阻R1和R2和电压源us串联组成；图(b)的电路由电导G1和G2和电流源is并联组成。图7 对偶电路表1列出常见的对偶名词。综上所述，电路中某些元素之间的关系（或方程），用它们的对偶元素对应地转换后，所得的新关系（或新方程）与原有关系（或方程）互为对偶，这就是对偶原理。表1 常见的对偶名词电阻电感电压理想电压源短路串联节点磁链KVL节点法电导电容电流理想电流源开路并联网孔电荷KCL网孔法2.2 对偶原则的应用对偶原理在电网络分析中是一种重要的工具，在电力电子领域中被证明是 发展新型变换器的有效手段，在直直变换器方面表现得尤为明显。正是利用对偶原理，澳大利亚学者Wolfs于1993年提出了一种

11、电流源型半桥变换器(Current-Fed Half Bridge , CFHB)4。如图(a)为电压源型半桥变换器，将其分为三部分，特别将变压器分离出来，其中ZAB和ZXY为虚拟阻抗，如图(b)。根据对偶原则，电压源更换为电流源；电容和开关管并联更换为电感与开关管串联；变压器匝比N1:N2更换为N2:N1；恒流源负载更换为恒压源负载，得到图(c)。将图(c)的三部分组合得到图(d)。最后，将电流源更换为电压源，即可得到电流源行半桥变换器，如图(e)。这种新型电流源型半桥变换器是利用对偶原理由传统的电压型变换器推导而来，具有和电压源型半桥变换器完全对偶的电气特性，现从以下三个方面来说明： 电路

12、结构方面 电压型半桥变换器是一个Buck型变换器，其输入端是一个电压源，负载是一个电流型负载，常用于降压场合；而电流源型半桥变换器是一个Boost型变换器，其输入端是一个电流源，负载是一个电压型负载，常用于升压场合。元器件方面两个电路所用的元器件数量相同。电压源型半桥变换器由两个分压电容均分输入电压，变压器匝比为N1:N2；电流源型半桥变换器由两个分流电感均分输入电流，变压器匝比为N2:N1。两种类型变换器均采用全桥整流结构。特性方面对于电流源型半桥变换器，当S2关断时，流过L2的电流通过变压器原边不带点端流向S1。此时变压器副边电流经整流电路给输出滤波电容充电；当S1关断时，流过L1的电流通

13、过变压器原边带点端流向S2。此时变压器副边电流经整流电路并给输出滤波电容充电。对于传统的电压源型变换器，这些过程相当于电容均分输入电压，并且靠关断S1或者S2实现相应的工作过程。电流源型半桥变换器的两个开关管不能同时关断，否则电感电流将产生巨大 的电压尖峰损坏开关管。与此相对偶，传统电压源型半桥变换器的两个开关管不(a)(b)(c)(d)(e)图8 电流源型半桥变换器推导过程能同时导通，开关管驱动信号之间必须留有死区。当电流源型半桥变换器中的两 个开关管S1、S2均导通时，负载由电容供电，此时该变换器等同于Boost变换器。当电压源型半桥两个开关管同时关断时，电感电流经过二极管续流，此时该变换

14、器等同于Buck 变换器。从以上的分析可以清楚地看出电流源型半桥变换器具有和电压源型半桥变换器完全对偶的电气特性。第三章 电流源型逆变器3.1 电流源型逆变器的拓扑结构直流电源为电流源的逆变电路称为电流型逆变电路。实际上理想直流电流源并不多见，一般是在逆变电路直流侧串联一个大电感，因为大电感中的电流脉动很小，因此可以近似看成直流电流源。图9的电流型三相桥式逆变电路就是电流逆变电路的一个例子。图中的IGBT串联二极管，构成单导开关，保证电流的单向流通；图中的交流侧电容器是为吸收换流时负载电感中存储的能量而设置的，是电流型逆变电路的必要组成部分。电流型逆变电路有以下特点5：直流侧串联有大电感，相当

15、于电流源。直流侧电流基本无脉动，直流回路呈现高阻抗；电路中开关器件的作用仅是改变直流电流的流通路径，因此交流侧输出的电流为矩形波，并且与负载阻抗角无关。而交流侧输出电压波形和相位则因负载阻抗情况的不同而不同；当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电感起缓冲无功能量的作用。因为反馈无功能量时直流电流并不反向，因此不必像电压型逆变器那样要给开关期间反并联二极管。直流侧的滤波元件为大电感，可以使直流电流无脉动，可看做恒流源。图9 电流型三相桥式逆变电路3.2 电流源型逆变器的研究意义由于通常的电力能源例如发电机、电网和蓄电池等均属于电压源，而且VSI中的储能元件电容器与CSI中的储能元件电感器

16、相比，储能效率和储能元件的体积、价格都具有明显的优势6。所以电压型逆变器及其控制方法的研究工作一直是人们研究的重点。但是，随着超导技术的发展，电流型变流器中电感的储能效率问题得到了很好的解决。和VSI相比，CSI具有自己的特点和独特的优势，集中表现在：它便于实现四象限运行，而且工作更加稳定，输出电流更容易控制；抑制过电流能力强，特别适合用于频繁加、减速的启动型负载；在驱动交流电机负载时，CSI输出电流为矩形波，输出电压近似为正弦波；在变频调速系统中，由于CSI直流侧电压可以迅速改变，m变化快，从而使调速系统动态响应比较快，而且便于实现回馈制动7。因此，在电力传动、有源滤波、无功补偿以及电力系统

17、中，CSI应用将会越来越广泛，CSI的研究和应用已经被世人所关注。第四章 电流源型PWM整流器PWM整流器的分类方法多种多样，最基本的分类方法就是将PWM整流器分为电压型PWM整流器（VSR）和电流型PWM整流器（CSR）两大类8。4.1 电流源型PWM整流器的拓扑结构电压型 PWM 整流器最显著的特征是其直流侧采用电容进行直流储能，从而使VSR直流侧呈现低阻抗的电压源特性；而电流型PWM整流器的显著特征是直流侧采用电感进行直流储能，从而使CSR的直流侧呈现高阻抗的电流源特征。在实际的大功率应用领域，两种PWM整流器都以其简练的拓扑结构和高效的变换性能而得到了广泛的应用，两种电路拓扑结构如图1

18、0所示。(a) 三相电压型 PWM 整流器的拓扑结构(b) 三相电流型 PWM 整流器的拓扑结构图10 三相电压型 PWM 整流器与三相电流型 PWM 整流器的拓扑结构4.2 电流源型PWM整流器的应用场合从图10的拓扑结构中可以看出，三相电压型PWM整流器的结构较三相电流型PWM整流器简单，开关器件的损耗也较低。另外，直流侧采用电容储能比采用电感储能的效率要高，所以长期以来电压型PWM整流器一直成为PWM整流器的研究重点，并取得了广泛和重要的应用，如静止无功发生器(SVG)、有源电力滤波器(APF)等。但是，电压型PWM整流器是一种基于Boost升压原理的变换器，其直流电压必须高于交流电源电

19、压峰值，这对于一些如感应加热、直流拖动、电化学等需要在零至额定电压之间连续调节的工业应用领域是极为不便的，并且电压型PWM整流器的短路保护比较困难。而电流型PWM整流器是基于 Buck降压原理的变换器，其直流电压可以在零至额定值之间连续调节，非常适合电压型PWM整流器难以满足调压功能的场合，并且电流型PWM整流器的短路保护容易、网侧电流控制灵活，因此近年来电流型PWM整流器的研究得到了极大的重视9。考虑到高频感应加热电源功率调节的实际要求，无论是电压型感应加热电源还是电流型感应加热电源，采用三相电流型PWM整流器比电压型更加适合10,11。参考文献1李世松,徐剑峰.新能源联合发电的乡村小型电力

20、系统.农村电气化,2008,12:55-57.2张占松,蔡宣三.开关电源的原理与设计.北京:电子工业出版社,2004. 3周林泉.软开关PWM Boost型全桥变换器的研究.博士学位论文.南京航空航天大学,2005. 4P. J. Wolfs, A current-sourced DC-DC converter derived via the duality principle from the half-bridge converter, inIEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 40, no. 1, pp. 139-144, F

21、eb 1993.5王礼平，王观凤.SPWM 变频器工作原理和基本特点J.中南民族学院学报，1995，14(2)：79-886程节顺.一种新型的电流型逆变器的研究D.上海交通大学电气工程系，20047张加胜.电力电子技术M.山东：中国石油大学出版社，2004 8武志贤，蔡丽娟，汤酉元.三相高功率因数整流器的研究现状及展望.电气传动.2005,35(2)：3-7 9肖淼基于改进空间矢量的电流型 PWM 整流器的研究：硕士学位论文保定：华北电力大学，2005 10张伟军.电流型PWM整流器及在感应加热方面的应用研究：硕士学位论文.杭州：浙江大学，2007 11彭咏龙，肖淼，李亚斌基于改进空间矢量的新型电流型 PWM 整流器的研究电工电能新技术，2006，25(2)：6771 12