buck三电平变换器在水冷磁体电源中的应用

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1、Buck三电平变换器在水冷磁体电源中的应用科学院强磁场中心的40T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奋一定要求。0前内水冷磁体电源的整流部分是三相可控硅整流电路，输出电压纹波较人，对此本文提出了一套新的整流方案。自1981年日本的AkiraNabae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，适用于高电压人电流场合。本文阐述了BuckTL变换器的棊本

2、情况与优点，提出利用BuckTL变换器结合三相不控整流电路來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BuckTL变换器电路图如图1所示。CdjnCd2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；Cb、Q2是开关管，D2是续流二极管；Lf是滤波电感，Cf是滤波电容，Rld是负载。BuckTL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

3、VQ=DVin(D为^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：BuckTL变换器有两个幵关管Cb、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，V0=DVino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，BuckTL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

4、，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，BuckTL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BuckTL变换器进行参数设计。负载取纯电阻Rid=5Q；开关管取IGBT，开关频率为10kHz。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Vi=610Vo根据三相不控电路的原理，其输出直流电压平均值72=1.35乂=823.5V。三相不控电路输出电压除直流

5、分量外还含有6、12、18等次谐波，其屮6次谐波最大。已知m脉波整流电压谐波幅值［3］为：代入n=6,m=6(K=1),得V6m=47.07V。忽略高次纹波，BuckTL变换器的输入电压为vin=823.5+47sin600ntV。2.2分压电容首先分析分压电容的充电过程。BuckTL变换器有三电平和两电平两种工作模式［4b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。D〉0.5时，变换器工作在三电平模式(Three-LevelMode,3LMode)。(1)开关模态1to-l阶段和t2-t3阶段。

6、Cb、Q2开通，电感电流b上升，AB端电压VAB=Vin;此时Cd1、Cd2上没有电流通过。(2)开关模态2trt2阶段。Cb开通，Q2关断，iLf下降，VAB=0.5Vin；此时Cd1放电，Cd2充电。(3)开关模态3阶段。Qi关断，Q2开通，Lf下降，Vab=0-5Vjn；此时Cdi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。如阎4所不，此时Cdi放电，Cd2充电。设通过Cdi、Cd2和Qi的电流大小分别为id1、id2、iq1，Cd1和Cd2W端的电压大小分别为Ud1和Ud2。已知

7、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△ud1=Aud2。由电容充放电公式有：可推得idi=id2=0.5iqio设电容电压在trt2阶段的变化量△ud1=Umd1。取Umd1为Ud1的10%,则Umd1=0.1.0.5Vin=41.2V。设输出电压稳定在500V，则负载电流iR=Uo/Rld=100A。结合iqi=L,Il=Ir，代入电容充放电公式：得分压电容Cd1=Cd2=9.53x1(T5F。2.3输出滤波器已知输出电压最

8、大谐波为6次谐波，则取截止频率为300Hz,可代入可算得L=2.65xW3H,C=1.06x10_5Fo3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、驱动电路或两幵关特性不同，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Ud