单相改进电源质量评述外文翻译资料

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单相改进电源质量评述

AC-DC转换器

Bhim Singh，IEEE高级成员，Brij N. Singh，IEEE成员，Ambrish Chandra，IEEE高级成员，Kamal Al-Haddad，IEEE高级成员，Ashish Pandey，IEEE学生会员，IEEE的高级会员Dwarka P. Kothari

摘要：

固态开关模式整流转换器已经达到成熟的水平，用于提高功率质量，包括功率因数校正（PFC），降低输入交流电源的总谐波失真以及降压，升压，降压 - 升压和多电平模式与单向和双向功率流。本文涉及对改进的电力质量转换器（IPQC）配置，控制方法，设计特征，部件选择，其他重要考虑以及它们对特定应用的适用性和选择的全面审查。它旨在为研究开发模式ac-dc转换器的研究人员，设计师和应用工程师提供广泛的IPQC技术状态。还提供了超过450个关于IPQC的艺术状态的研究出版物的分类列表，以供快速参考。

指数术语 - AC-DC转换器，谐波降低，改进的电源质量，功率因数校正，开关模式整流器（SMR）。

I.引言

SOLID-STATE电力的AC-DC转换广泛应用于可调速驱动器（ASD），开关电源（SMPS），不间断电源（UPS）以及与非常规能源（例如太阳能光伏，电池能量存储系统（BESS），电镀，焊接单元等工艺技术，电动车辆的电池充电和电信系统的电源，测量和测试设备[1] - [25]。通常，使用二极管和晶闸管开发也称为整流器的ac-dc转换器，以用单向和双向功率流提供受控和不受控的dc功率。它们在注入电流谐波，引起的电压失真和输入交流电源处的低功率因数以及负载端缓慢变化的波纹直流输出，低效率和大尺寸的交流和直流滤波器方面具有差的电能质量的缺点。鉴于其应用的增加，一种新型整流器已经使用诸如MOSFET，绝缘栅双极晶体管（IGBT），门极可关断晶闸管（GTO）等的新的固态自转换器件开发，甚至其中一些还没有被考虑或不可能使用二极管和晶闸管。这种设备通常称为转换器，但具体称为开关模式整流器（SMR），功率因数校正器（PFC），脉冲宽度调制（PWM）整流器，多电平整流器等。由于对电能质量的严格要求在输入交流电源几个标准[1] - [3]已经开发并正在实施消费者。由于电源质量问题的严重性，一些其他选项，如无源滤波器，有源滤波器（AF）和混合滤波器[6] - [8]以及常规整流器已经被广泛开发，特别是在高额定功率和已经存在安装。然而，这些滤波器相当昂贵，重且笨重，并且具有降低整个系统的整体效率的合理损耗。即使在某些情况下，AF中使用的转换器的额定值几乎接近负载的额定值。在这些观察下，将这样的转换器包括为ac-dc转换系统的固有部分，其提供减小的尺寸，更高的效率，以及良好控制和调节的dc以提供系统的舒适和灵活的操作被认为是更好的选择。此外，这些新类型的ac-dc转换器被包括在新的教科书[9] - [22]中，并且在最近的出版物[23] - [25]中报道了几种比较拓扑。因此，它被认为是一个及时的尝试，为处理电源质量问题的工程师提供一个广泛的角度来看ac-dc转换器的技术状态。

本文涉及一个关于SMR转换器的综合调查。重新审视450多种出版物[1] - [463]，并分为四大类。其中一些进一步分为几个子类别。第一个[1] - [25]通常是关于电力质量标准，其他选项，文本，以及一些调查和比较拓扑的宣传。这些转换器被子分类为具有单向和双向功率流的boost [26] - [250]，buck [251] - [306]，buck-boost [307] - [427]和多级[428] - [463]这些转换器的配置总数分为八类。一些出版物属于多个类别，并已被列入更主要的贡献。论文分为九个部分。从第一部分开始，其他部分涵盖了IPQC技术，配置，控制方法，部件选择和IPQC集成的最新技术，比较特性和其他选项，特定应用的选择考虑，IPQC技术的最新趋势和未来发展以及结论性观察。

手稿收到2001年12月20日;修订于2002年12月11日。互联网于2003年7月9日在互联网上发表。这项工作得到加拿大自然科学和工程研究理事会的支持。

B. Singh与印度理工学院电气工程系，新德里110016，印度。

B. N. Singh与美国洛杉矶杜兰大学电气工程与计算机科学系，新奥尔良，LA 70118。

A.Chandra和K.Al-Haddad与加拿大魁北克大学魁北克大学，蒙特利尔，QC H3C 1K3，加拿大（电子邮件：chandra@ele.etsmtl.ca）。

A.Pandey和D.P.Kothari与印度理工学院能源研究中心，新德里110016，印度。

数字对象标识符10.1109 / TIE.2003.817609

II、最先进的

IPQC技术目前已经开发出了一个成熟的级别，用于交流 - 直流转换，输入交流电源具有减少的谐波电流，高功率因数，低电磁干扰（EMI）和射频干扰（RFI）良好的质量直流输出，馈送负载范围从几瓦到几百千瓦的额定功率在大量的应用。在过去几十年中，对于诸如升压，降压，降压 - 升压和具有单向和双向功率的多电平等特性，其具有不同的配置，控制方法，固态器件，电路集成，变化的磁性等等，流。大量的IPQC配置已经发展，以适应不同应用的广泛变化的需求，同时在输入交流源和输出直流负载上保持高水平的质量。本节包含IPQC技术的时间发展和状态。

随着固态ac-dc转换的广泛使用，电源质量已经成为一个重要的问题[5]，[9]，[16]，[20]，[21]。随着这些转换器在广泛变化的功率和电压水平下的使用越来越多，这些IPQC分为四大类，即升压，降压，降压 - 升压和多电平转换器，在输入交流电源具有高水平的电能质量和直流输出。

由于在一些应用中，对于单向功率流，例如在SMPS中，在风扇，空调等中的低评级ASD，需要恒定调节的输出直流电压，而在少数应用中，需要双向功率流。因此，这些IPQC分为单向升压转换器[26] - [202]和双向升压转换器[203] - [250]。此外，存在大量需要通常从具有单向和双向功率流的传统半转换器和完全受控的晶闸管转换器馈送的变化直流电压的应用。为了替代传统的基于晶闸管的半变换器和完全变换器，一系列改进的电能质量变换器已经被开发并且被分类为具有PWM开关的单向降压[251] - [300]，双向降压[301] - [306]并使用自换向固态器件。此外，存在在同一转换器中需要降压和升压操作的一些典型应用，因此，利用单向和双向功率流进行降压 - 升压转换器[307] - [427]的附加分类。然而，对于高电压和高功率应用，开发了多电平转换器的概念，其可以避免低频变压器，并且降低器件的开关频率。接下来，IPQC的类别被认为是具有单向[428] - [442]和双向功率流[443] - [463]的多电平转换器。

ac-dc转换器的这种显着发展的主要原因之一是由于自换向器件，即对于小额定功率，MOSFET具有无与伦比的性能，因为它们具有高开关率和可忽略的损耗。在中等额定功率下，IGBT被认为是具有PWM技术的这种转换器的理想器件。在更高的额定功率下，GTO通常在仅有几千赫兹开关频率的情况下使用自变压和反向电压阻断能力。许多制造商正在开发智能功率模块（IPM），以为IPQC提供具有成本效益和紧凑的结构。在IPQC中的另一个突破是由于快速响应的霍尔效应电压和电流传感器，以及通常在控制这些ac-dc转换器中使用的反馈所需的隔离放大器导致高水平的动态和稳态性能。许多制造商如ABB，LEM，HEME，模拟设备等公司正在以竞争力的低价提供这些传感器。

IPQC技术的另一个主要推动是微电子的革命。由于大量的需求，诸如Unitrode，ADI公司，西门子，Fairchild等众多制造商已经开发出专用IC，用于具有成本效益和紧凑的特性，以控制这些转换器。此外，以相当低的成本提供高速和高精度的微控制器和数字信号处理器（DSP）。许多处理器被开发为给出具有快速软件的双向PWM输出[69]，[82]，[140]，通常用于其中一些转换器，从而实现了硬件的虚拟化。利用这些处理器，现在可以实现新的和改进的实时控制的控制算法，以提供IPQC的快速动态性能。从传统的比例积分（PI）控制器开始，在这些转换器的控制中采用了滑模式，模糊逻辑和基于神经网络的控制器。除此之外，有多种仪器可用于测量这些IPQC的性能，这些被称为功率分析器，功率示波器，功率监视器，频谱分析仪等，其给出直接谐波条频谱，甚至总谐波失真功率因数（PF），波峰因数（CF），位移因子（DF），kVA，kVAR，kW和能量消耗，波纹，浪涌，膨胀，槽口宽度和高度等。

III、配置

IPQC根据所使用的转换器的拓扑和类型进行分类。基于拓扑的分类基于升压，降压，降压 - 升压，多电平，单向和双向电压，电流和功率流分类。转换器类型可以是升压和降压斩波器，电压源和电流源逆变器，桥式结构等。图1和图2示出了IPQC的这两种类型的分类。

A.基于拓扑的分类

IPQC的这种分类基于转换器中使用的拓扑。 这些被分类为升压，降压，降压 - 升压和具有单向和双向功率流的多电平。 图。 图1示出了IPQC的基于拓扑的分类的树。 这些转换器是以这种巨大变化的配置开发的，以满足各种各样非常接近和确切的要求的应用。 这些IPQC中的一些被改进以从原始配置提供更好的性能。 图6 图3-10显示了用于交流 - 直流转换的所有八种类型的IPQC的基本电路配置。

图 1改进的电力质量转换器的基于拓扑系统的分类

bull;单向升压转换器[26] - [202]：

图3示出了这种转换器的各种配置，以通过大幅度地减轻它们的重量和体积来改善在ac电源和dc输出的功率质量，减少的损耗和噪声，增强的紧凑性。原理上，它是二极管桥式整流器和升压dc斩波器与滤波和储能元件的组合。已经有许多修改，如图1所示。图3（b） - （e）使用交织和多单元的概念来改善它们的性能。高频PWM和迟滞电流控制技术用于控制这些转换器的外部电压环路中的内部电流环路和宽带宽闭环控制器，以在输入交流电源和直流输出提供快速响应和高水平的电源质量。这些IPQC提供良好调节的直流输出电压，甚至在从90到300 V的宽变化ac输入电压和从40到70 Hz或直流输入的频率范围内，导致在多个应用中的通用输入的概念。这些转换器广泛应用于电子镇流器，电源，压缩机，冰箱，泵，风扇等中的变速交流电机驱动器。

bull;双向升压转换器[203] - [250]：

观察以前的转换器的成功，这些类型的转换器被开发以满足双向功率流的应用的要求，以及在高功率因数和低THD以及良好调节的输出直流的输入ac电源的改进的电源质量电压。图。图4示出了这种类型的转换器的几个电路。从其基本拓扑开始，其他电路发展以提高其性能。它们的一些应用是在线交互式UPS，BESS和运输应用（例如地铁和牵引）中的电池充电和放电。该转换器还用于具有非常规能量源（例如太阳能PV，风等）的公用接口。基本拓扑是基于PWM的电压源逆变器，其具有输入交流滤波器电感器和输出能量存储直流电容器。还使用第三个主动臂来研究直流链路纹波减小的概念，如图1所示。 4（c）和（d），以提高它们的性能并减少在直流链路上的储能电容器的需要。这些转换器的新配置还提供直流输出的快速和宽带宽控制。

bull;单向降压转换器[251] - [300]：

该拓扑的基本电路如图1所示。它是具有输入和输出滤波器的二极管整流器与降压斩波器的组合。使用直流输出处的纹波滤波器来改善其性能，以减少交流电源中的谐波和直流输出电压下的纹波。现在，它也开发使用二极管整流器与滤波器和各种组合的dc-dc转换器有和没有高频变压器隔离。图。图5（d）示出了使用具有高频隔离的全桥DC-DC转换器的这种电路之一。高频变压器隔离降低了用于隔离和电压匹配的变压器的尺寸，成本，重量和体积。使用单个，两个或四个器件的使用正向，推挽，半桥dc-dc转换器等的隔离配置可以有许多其它组合。它已被开发以取代常规的基于晶闸管的半变频器。它具有高功率因数，交流电源中低谐波电流的特点，满足变化可控输出直流电压的要求。与常规半变频器相比，这些变换器还提供了非常快的响应，从而减小了交流和直流滤波器的尺寸，减少了对负载和其他部件的压力。它用于小额定直流电机速度控制，电池充电，隔离稳压直流电源等。在高额定功率下，它可以用GTO制成，如图1所示。图5（c）。

bull;双向降压转换器[301] - [306]：

图6示出这些转换器的两个典型电路。其基本电路是基于PWM的电流源逆变器，具有自换向器件。由于MOSFET，BJT和IGBT不具有反向电压阻断能力，因此需要串联二极管来提供反向电压阻断能力。然而，如果使用GTO，则其不需要这个附加的二极管，但是不能在高PWM频率下操作，这是减小滤波器和能量存储元件的尺寸的主要因素。它可以被认为是一个单相晶闸管桥式整流器的替代。与此类似，它具有单向直流电流和可控双向直流链路电压，以提供双向功率流。与传统的双转换器相比，它提供了更快的响应。输出直流纹波补偿也使用第三支路进行，如图3所示。 6（b），它需要一个减小尺寸的滤波器，在输入交流电源和输出直流负载下具有改进的性能。通过反并联的双桥连接，它提供了类似于con

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