恒定不变。摘要 为将变压整流器谐波能量再次利用提高能量转换效率和提高输入电流谐波含量和输出电压纹波含量抑制性能，该文提出一个应用在直流侧的无源高可靠性半桥辅助电路。辅助电路输出端与负载并联连接，将谐波能量再次利用转换为直流反馈至负载两端，产生一个具有15°相移的附加电压，负载电压由24个相位相差15°的电压矢量合成，形成24脉波直流输出。辅助电路迫使两组三相整流桥三种模态运行：并联运行和分别独立运行，对变压整流器输入电流进行调制，形成24个阶梯波，抑制输入电流谐波含量。对提出的24脉变压整流器电路结构、谐波抑制机制和工作模态进行分析。所提出的24脉波变压整流器结构简单，不需要同步控制信号，鲁棒性和实用性好，提高了能量的转换效率，输入电流具有良好的正弦性，可以直接满足航空航天谐波标准。
关键词：24脉波 无源 半桥辅助电路 谐波抑制 能量转换效率
AC-DC变换器采用大量的功率半导体器件，具有强非线性，将大量的谐波电流注入机载电源系统，是重要的谐波污染源[1-2]。多脉波变压整流技术可以有效抑制整流系统输入电流谐波含量和输出电压纹波含量，空客A380、波音B787和中国商飞ARJ21等知名机型均采用多脉波变压整流技术为机载二次电源设备供电[3]。传统的12脉变压整流器（Transformer Rectifier Unit, TRU）具有高可靠性，但输入电流谐波畸变率（Total Harmonic Distortion，THD）理论值为15.2%，不能直接满足机载设备谐波含量限制标准，需要在交流侧连接笨重的无源LC滤波电路限制特征次谐波进入电源系统[4]。24脉波TRU输入电流THD理论值为7.56%，无需结合滤波电路可直接满足谐波含量限制标准。
对如何增加TRU的脉波数提高TRU谐波抑制能力，国内外的研究学者已经进行了大量的研究。研究新型移相变压器结构，通过增加二次侧移相绕组的数量，改变二次侧移相绕组的移相方式增加变压器的输出相数是常用且有效的方法[5-6]。但是随着移相变压器输出相数的增加，变压器结构越来越复杂，绕组利用率降低，结构和输出电压相位对称性变差，在抑制特征次谐波的同时，可能会造成非特征次谐波污染[7-8]。平衡电抗器（Interphase Reactor，IPR）用来平衡多组三相整流桥输出电压瞬时差，增加其抽头数，可以实现脉波数的倍增[9]。与IPR抽头相连的抽头二极管交替导通，产生环流调制输入电流以抑制谐波，但是抽头二极管与负载串联，损耗较大，不利于航空应用，而且当抽头数在三个及以上时就需要与三相输入电压同步的控制信号控制抽头开关管，导致系统过于复杂，可靠性变差。随着抽头数的增多，输出电压矢量的幅值不再完全相等，谐波抑制效果不再明显，多抽头IPR也难以确定最优抽头位置。
可以通过直接控制三相可控整流桥组代替移相变压器进行移相，增加整流器的脉波数，可以极大减小整流系统的体积和质量。但是输出的相数依赖控制的三相可控整流桥组的数量，当多脉波整流系统为24脉波时，则需要同时控制4个三相整流桥组，整流器件过多，系统过于复杂，系统损耗大。文献[10]提出的18脉波电力电子移相整流器调制频率等于输入电源频率或是输入电源频率的两倍，但是由于整流器件数量过多，其开关损耗依然很大。
有源或无源辅助电路可以有效降低TRU输入线电流谐波含量，具备出色的谐波抑制性能，受到广大学者的青睐。有源辅助电路实际上就是一个小功率的PWM变换器[11-13]，将交流三角波电流注入IPR二次绕组，使TRU输入电流具有良好的正弦性，输入线电流THD可以控制在1%以下[13]，但是有源辅助电路功率较大，增大整流系统磁性器件容量，系统可靠性变差，发出的意外电磁发射使多脉波TRU难以满足国军标GJB151A/B规定的RE102辐射发射实验标准，不利于航空应用。有源辅助电路也不能增加输出电压的脉波数，同时在负载动态变化时，有源辅助电路适应性较差。迄今为止，尚无采用有源辅助电路抑制谐波的TRU作为机载设备应用的案例。与有源辅助电路不同，无源辅助电路可以同时增加输入电流阶梯数和输出电压脉波数。文献[14-20]提出并研究了基于不同无源辅助电路的多脉波TRU，无源辅助电路应用在直流侧，将TRU脉波数在原有基础上增加12个。文献[14-15]提出了基于单相全波辅助电路的24脉波TRU，IPR一次侧和二次侧均为单抽头绕组，单相全波辅助电路与IPR二次绕组相连；IPR容量很大，为TRU输出功率的3.4%，IPR绕组匝比较大，分别为29.4和28.348，IPR结构复杂，绕组利用率低。文献[16-17]提出了基于单相全波辅助电路的36脉波TRU，IPR一次侧为双抽头绕组，单相全波辅助电路与IPR二次侧单抽头绕组相连；IPR绕组匝比分别为21.6和21.5，IPR结构复杂，绕组利用率低。文献[18-20]提出了基于单相全桥辅助电路的多脉波TRU，单相全桥辅助电路与IPR二次绕组相连。单相全桥辅助电路由4个二极管组成，损耗较大；IPR绕组匝比较大，分别为9.672、14.17和14。文献[19]提出的基于单相全桥辅助电路的48脉波TRU，IPR一次侧为三抽头绕组，三个抽头开关管需要同步控制信号进行控制，系统复杂，可靠性降低。
航空多脉波TRU作为重要的机载二次电源设备，必须把可靠性放在首位。本文提出一种具有高可靠性和实用性的基于无源半桥辅助电路的24脉波TRU，结构简单，采用辅助电路调制谐波注入负载两端，减小损耗，提高了能量的转化率，使TRU呈现24脉波特性，同时抑制整流系统中的谐波和纹波含量，不需要连接额外的滤波装置就可以使TRU直接满足机载设备谐波含量限制标准，适用于大负载工作场合。
图1为本文提出的基于无源半桥辅助电路的24脉波TRU，其结构简单。两组三相整流桥组连接至平衡电抗器一次绕组，并通过一个前端12脉隔离移相变压器与电源系统相连。无源半桥辅助电路输入端连接平衡电抗器二次绕组，输出端与负载并联连接。辅助电路结构简单，不需要同步驱动控制电路，仅由一个辅助桥臂和一个由两个均压电容和两个均压电阻组成的半桥均压电路所组成。为了便于原理分析，作如下基本假设：
（1）忽略前端移相变压器和平衡电抗器的漏感和电阻。
（2）24脉TRU负载为大电感负载，负载电流恒定不变。
（3）电力电子器件只工作在开通和关断状态，忽略其开通和关断过程，忽略损耗。
定义前端移相变压器输入输出相电压比值为K，即
（1）
式中，U为TRU三相输入相电压有效值；
为移相变压器二次侧移相绕组输出相电压有效值。
图1 基于无源半桥辅助电路的24脉TRU结构
Fig.1 Circuit configuration of the 24-pulse TRU based on passive half-bridge auxiliary circuit
前端移相变压器的二次侧移相绕组分别为星形结构和三角形结构，输出两组相位相差30°的对称交流电压，二次侧移相绕组匝比为
（2）
式中，
为移相变压器二次侧星形绕组每相绕组匝数；
为移相变压器二次侧三角形绕组每相绕组匝数。
平衡电抗器可以平衡两组三相整流桥组输出电压的瞬时差，使两组三相整流桥可以并联运行，实现均流，绕组结构如图2所示。平衡电抗器一次侧为单抽头绕组，二次侧只有一个绕组，绕组结构简单，利用率高，令平衡电抗器绕组匝比为β，则
（3）
式中，
、
分别为平衡电抗器一次侧两段绕组匝数；
为平衡电抗器一次绕组总匝数；
为平衡电抗器二次绕组总匝数。
三相输入电压为理想的对称三相正弦电压，其表达式为
（4）
式中，
、
、
为24脉TRU三相输入相电压。
移相变压器输出两组具有30°的相移交流电压，分别表示为
（5）
两组三相整流桥组输出电压
和
为幅值相等，相位相差30°的六脉波直流，分别表示为
图2 IPR绕组结构
Fig.2 The winding configuration of IPR
（6）
24脉波形成过程如图3所示，前端12脉变压整流器的两组三相整流桥输出电压和瞬时值不相等，为相位相差30°的六脉波直流电压，在平衡电抗器二次绕组上产生6倍于三相电源频率的交流电压
，当平衡电抗器二次绕组电压大于均压电容两端电压时，将迫使辅助桥臂上、下两个二极管VD1和VD2交替导通，将谐波能量再次利用反馈至直流母线，产生相位相差15°的附加直流电压，形成24脉直流输出，设计的24脉TRU存在三种工作模态，三种工作模态交替运行，模态运行顺序为：模态1、模态2、模态1、模态3，下面将详细分析。
图3 24脉波形成过程
Fig.3 24-pulse waves formation process
当未连接辅助电路时，TRU为12脉波，工作模态与普通12脉TRU相同，平衡电抗器起到平衡整流桥组输出电压瞬时差和均流作用，此时负载电压
为
（7）
即当TRU为12脉波时，负载电压表达式为
（8）
平衡电抗器一次绕组电压
，二次绕组电压分别为
（9）
半桥均压电路均压电容C1两端的电压
，均压电容C2两端的电压
分别表示为
（10）
当24脉TRU处于工作模态1时，
，
或
，
，辅助桥臂二极管VD1、VD2被反向偏置关断，均不导通，无源半桥辅助电路不工作，两组三相整流桥并联运行，与传统的基于单抽头平衡电抗器的12脉TRU工作模态相同，如图4所示。负载电压为
（11）
平衡电抗器一次绕组电压为
（12）
式中，
、
分别为平衡电抗器一次侧两段绕组电压。
由理想平衡电抗器电压和匝比关系列方程
图4 24脉TRU工作模态1
Fig.4 24-pulse TRU operation mode 1
（13）
由式（12）和式（13）可得平衡电抗器一次侧两段绕组电压up1和up2分别为
（14）
由式（14）可知，平衡电抗器一次侧两段绕组电流ip1和ip2分别为
（15）
平衡电抗器二次绕组电流
和电压为
（16）
当24脉TRU处于工作模态2时，，
，辅助桥臂二极管VD1正向偏置导通，VD2被反向偏置截止关断。三相整流桥组Ⅰ独立运行，三相整流桥组Ⅱ不工作，如图5所示。
图5 24脉TRU工作模态2
Fig.5 24-pulse TRU operation mode 2
平衡电抗器二次绕组电压为
（17）
由平衡电抗器匝比关系可得一次绕组电压up1和up2分别为
（18）
根据基尔霍夫电压定律，列负载电压方程为
（19）
解得24脉TRU负载电压为
（20）
列基尔霍夫电流定律和磁动势平衡方程为
（21）
解得平衡电抗器绕组电流为
（22）
当24脉TRU处于工作模态3时，，
，辅助桥臂二极管VD2正向偏置导通，VD1被反向偏置截止关断。三相整流桥组Ⅱ独立运行，三相整流桥组Ⅰ不工作，如图6所示。
图6 24脉TRU工作模态3
Fig.6 24-pulse TRU operation mode 3
平衡电抗器二次绕组电压为
（23）
由平衡电抗器匝比关系可得一次绕组电压up1和up2分别为
（24）
根据基尔霍夫电压定律，列负载电压方程
（25）
解得24脉TRU负载电压为
（26）
列基尔霍夫电流定律和磁动势平衡方程
（27）
解得平衡电抗器绕组电流为
（28）
无源半桥辅助电路工作需要满足一定的必要条件。当无源半桥辅助电路未满足工作条件时，TRU为12脉波。为使无源半桥辅助电路正常工作，使TRU呈现24脉波特性，则
（29）
即
（30）
由式（30）解得
（31）
通过以上的分析可知，辅助桥臂两个二极管交替导通，IPR二次绕组交替和IPR一次侧两段绕组构成磁动势平衡，迫使两组三相整流桥以三种模态运行：并联运行和分别独立运行，对变压整流器输入电流进行调制，同时将谐波能量反馈至负载两端，形成24脉直流输出，使24脉TRU具有三种工作模态。下面对TRU负载电压和输入线电流表达式进行推导。
由式（11）、式（20）和式（26）可得负载电压
的表达式为
（32）
式中，
为24脉TRU工作模态转换而导致的相位。
将式（6）代入式（32）中得
（33）
负载电压为24脉波，负载电压相量如图7所示。当负载电压由24个幅值相等，相位相差15°的电压矢量合成时，即当
时，有
（34）
即
（35）
解得
图7 负载电压相量
Fig.7 Load voltage phasor diagram
（36）
从图1可以得出，两组三相整流桥输出电流等于平衡电抗器一次侧两段绕组的电流，由式（15）、式（22）和式（28）可得
（37）
（38）
（39）
由磁动势平衡原理和基尔霍夫电流定律可得
（40）
式中，
、
和
为移相变压器二次侧三角形绕组相电流；
为移相变压器一次侧星形绕组每相绕组匝数。变压整流器三相输入电流对称，则
（41）
由式（40）和式（41）解得
（42）
由式（1）、式（2）和式（42）可得
（43）
以A相输入电流为例，在区间
内A相输入线电流
的函数关系如式（44）所示，B相和C相输入线电流表达式与A相类似，相位与A相分别相差
和
。A相输入线电流在一个周期内含有24个阶梯波，设计的TRU具有24脉波特性。
（44）
其中
（45）
A相输入线电流的THD计算公式为
（46）
式中，
为A相输入线电流有效值；
为A相输入线电流基波有效值。由式（44）可得
（47）
（48）
由式（46）～式（48）计算可得TRU输入线电流THD为7.55%。
为了证明理论分析的正确性，本文搭建仿真模型进行仿真分析；此外还制作了24脉TRU原理样机，进行实验验证。实验设备包括：Chroma 61704可编程交流电源、泰克5系MSO56混合信号示波器等。仿真模型和原理样机参数见表1。
表1 仿真模型和原理样机参数
Tab.1 The parameters of simulation model and prototype
参数数值 IPR匝比β7.087 移相变压电压比K1 均压电容C1, C2/ mF68 均压电阻R1, R2/kΩ300 系统输入三相电源115V/400Hz 额定功率/kW3.5 仿真移相变压器每相漏感L/mH0.027 56
仿真波形如图8所示，图8a为IPR二次绕组电压
波形，频率为2 400Hz，是输入电源频率的6倍，电压最大值为134.4V，最小值为-134.4V，波形与理论推导函数关系式相对应。图8b为两组整流桥组输出电流
和
波形，图8c为IPR二次绕组电流
波形，从波形分析可知，明显地，辅助桥臂两个二极管交替导通，IPR二次绕组交替和IPR一次侧两段绕组构成磁动势平衡，迫使两组三相整流桥组三种模态运行。负载电压波形如图8d所示，在一个周期内含有24个脉波，相邻两个脉波峰值相差104.3μs，通过计算可知相位相差15.019 2°，与理论值15°基本一致。TRU输入线电流波形如图8e所示，在一个周期内含有24个阶梯波，主要谐波为23次和25次谐波，THD为5.60%，具有良好的正弦性，仿真波形与理论分析一致。
图8 仿真波形
Fig.8 Simulation waveforms
TRU未连接无源半桥辅助电路时，实验波形如图9所示。负载电压波动较大不平滑，有效值为268.6V；输入线电流波形在一个周期内含有12个阶梯波，11和13次谐波是主要谐波，THD为13.8%，因为有变压器漏感的影响，THD小于理论值15.2%。24脉TRU实验波形如图10所示。负载电压平滑，有效值为270.4V，大于268.6V；输入线电流在一个周期内含有24个阶梯波，消除了11和13次谐波，23次和25次谐波是主要谐波；无源半桥辅助电路作用明显，THD显著下降，24脉TRU输入线电流THD从13.8%直接下降到5.46%，实验与仿真结果基本一致。24脉TRU不用连接滤波装置，就可以直接满足机载设备谐波含量限制标准。对比图9，24脉TRU可以同时有效抑制输入电流谐波含量和输出电压纹波含量。改变负载大小，测量的输入电流THD见表2，设计的24脉TRU在全工况均能满足航空标准。实验结果证明了理论分析的正确性。
图9 未连接辅助电路时TRU实验波形
Fig.9 Experimental waveforms without auxiliary circuit
图10 24脉TRU实验波形
Fig.10 Experimental waveforms of 24-pulse TRU
表2 在不同工况条件下输入电流THD
Tab.2 THD under different rated loads
额定负载（%）THD(%) 255.76 405.51 505.60 755.55 1005.46
本文提出了一个基于无源半桥辅助电路的24脉TRU，结构简单，具有鲁棒性和实用性，不需要同步驱动电路，可以同时抑制输入电流谐波含量和输出电压纹波含量，并且提高能量的转化效率，不需要连接滤波电路，就可以直接满足机载设备谐波含量限制标准。本文对提出的24脉TRU电路结构、谐波抑制机制和工作模态原理进行分析，推导负载电压表达式和TRU输入线电流表达式，理论推导THD为7.55%。实验结果表明在无源半桥辅助电路的作用下，TRU从12个脉波增加到24个脉波，输入线电流THD从13.8%下降到5.46%，负载电压足够平滑。本文提出的24脉TRU的IPR绕组匝比仅为7.087，IPR结构简单，绕组利用率高。实验结果验证了所推导表达式和结构的正确性。
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24-Pulse Aviation Transformer Rectifier Based on Passive Half-Bridge Auxiliary Circuit
Abstract A passive half-bridge auxiliary circuit with high reliability is applied on the DC side which improve the harmonic and ripple suppression performance and energy conversion efficiency in this paper. Connected in parallel with the load, the auxiliary circuit feedbacks harmonic power to the DC bus and produces an additional voltage with a 15° phase shift，forming 24 pulses of load voltage. The auxiliary circuit forces the two sets of three-phase diode-bridge rectifiers (Rec I and Rec II) to operate in mixed modes: parallel operation, Rec I separate operation and Rec II separate operation, for suppressing the input line current harmonic content. Analyzing the harmonic suppression mechanism and configuration, the key techniques and operation mode of the proposed 24-pulse transformer rectifier (TRU) are also demonstrated. With robustness, practicability and simple circuit configuration, the proposed 24-pulse TRU draws near sinusoidal input current from the utility and needs no synchronous control signal.
keywords：24-pulse, passive, half-bridge auxiliary circuit, harmonic suppression, energy conversion efficiency
DOI:10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.L90370
中图分类号：TM461.5
国家自然科学基金资助项目（U1933115）。
收稿日期 2020-07-10
改稿日期 2021-01-02
史艳博 男，1995年生，硕士，研究方向为多脉波整流技术。E-mail：shiyanbo@nuaa.edu.cn
葛红娟 女，1966年生，教授，博士生导师，研究方向为电力电子技术、航空电源、适航技术与管理。E-mail：allenge@nuaa.edu.cn（通信作者）
（编辑 郭丽军）