级联型电力电子变压器高频模块设计

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1、级联型电力电子变压器高频模块设计罗剑波范伟彭凯刘华东中车株洲所电气技术与材料工程研究院摘要：基于高压电力电子变压器主电路拓扑结构原理的对比分析，提出一款应用于高压级联型电力电子变压器的高频模块，并针对其LLC的增益特性和ZVS实现的必要条件完成了模块的电气设计。通过试验验证了电路设计参数的准确性，同时依据IGBT开关过程对高频模块DC-DC侧进行了损耗分析，由于开通过程无损耗，变换器效率得以提高。关键词：电子电子变压器;高频高压;级联;主屯路拓扑;作者简介：罗剑波(1987-),男，工程师，从事变流器应用技术工作。收

2、稿日期：2017-06-18基金：国家重点研发计划(2017YFB1200900)DesignofHigh-frequencyModuleforCascadedPowerElectronicTransformerLUOJianboFANWeiPENGKaiLIUHuadongCRRCZICResearchInstituteofElectricalTechnology&MaterialEngineering;Abstract：Basedontheprincipleanalysesandcomparisonofthema

3、incircuittopologiesofhighvoltagepowerelectronictransformer(PET),ahigh-frequencymoduleforhigh-voltagecascadedPETwasproposed.ElectricaldesignofthemodulewasfinishedforitsLLCgaincharacteristiesandthenecessaryconditionstoachieveZVS.Accuracyofthecircuitdesignparamctc

4、rswasverifiedbytestandlossanalysiswasperformedintheDC-DCsideofthehigh-frequencymodulebasedon1GBTswitchingprocess.TheefficiencyoftheDCDCconverterisimprovedduetonolossofitsturn-onprocess.Keyword：powerelectronictransformer(PET);high-freguencyandhigh-voltage;cascad

5、e;maincircuittopology;Received：2017-06-180引言电子电力变压器(PET)利用电力电子变换器和高频变压器实现电能的传输，前者完成了输入侧交流信号和输出侧交流信号的升、降频功能，能实现对谐波、相位、频率等参数的控制;后者用来实现输入、输出侧的隔离，随着应用频率的提高，变压器铁心材料的利用率得到提升，进而降低了变压器的体积[1-2]o木文以一种级联型PET高频模块拓扑为例，重点阐述了利用LLC拓扑确定谐振电路参数的过程，分析了模块支撑电容纹波电流值，并在软开关测试波形的基础上计算了模

6、块样机的损耗，验证了模块设计的效果。1级联型PET拓扑结构依据其是否存在中间直流环节，PET拓扑可分为AC-AC变换和AC-DC-AC变换两种[3-4],如图1和图2所示。AC-AC型PET输入的交流信号经调制后通过高频变压器耦合到输出侧，输出侧电力电子变换器将耦合后的信号进行解调还原;输入侧调制和输出侧解调同步进行，产生所需频率的交流信号。AC-DC-AC型PET的工作原理为:整流器将一定频率的交流输入变换为直流;逆变电路将直流调制成高频方波后输入到高频变压器的一次侧，高频方波通过高频变压器耦合到二次侧绕组，经整流

7、、逆变后得到还原。图1AC-AC型PET拓扑原理图Fig.1SchematicdiagramofAC-ACPET下载原图图2AC-DC-AC型PET原理图Fig.2SchematicdiagramofAC-DC-ACPET下载原图当PET主电路釆用AC-DC-AC拓扑时，由于前级电压过高，高压侧需要用电压等级较高的元器件进行串联，这种方案技术难度大且成本高;而主电路采用模块级联的方式可以解决这一难题。图3为一种三阶式级联型PET,它由输入级（高压级）、隔离级和输出级（低压级）组成。这种输入级采用多级功率模块宙联的结构

8、，高压侧输入电压被均分到毎一模块上，因此单个功率模块所承受的电压大大减小且各模块内部的元器件不必串联。高压侧各模块为单位功率因数整流器，交流输入通过该级变换为直流，直流经调制转化为高频方波信号后进入高频变压器，该信号通过隔离级转化再进行整流后又还原为直流，输出级将直流波形逆变为所需的工频信号。这样，通过对逆变部分的调节控制可实现输岀频率和电压的