智能变压器作为电力电子变压器PET（Power Elec-tronic Transformer）的一种，最早由Koosuke Harada等人于1996年提出，其“智能”主要体现在它不仅实现了电压的变换和能量的传递，而且能灵活控制高频变压器原副边的电压幅值和相位。后来渐渐发展成电力电子变压器体系，统称为电力电子变压器。在电力行业快速发展的今天，更应加强对电力电子变压器新型拓扑和控制策略的研究。

多电平智能变压器不仅具备了传统电力电子变压器的特点，而且多电平技术的引入还带来了许多新的优势。例如在交流电能转换领域，与两电平的电力电子变压器相比，其输出电压的幅值与相位可灵活控制，且输出电压的谐波含量低。另外，高压大功率场合也是多电平智能变压器的重要应用领域，有效解决了两电平电力电子变压器高开关应力、高dv/dt等问题。多电平智能变压器的灵活性和可控性使其在航空、航天、航海、制造业、冶金等军事工业领域也能发挥重要作用。所以，对多电平智能变压器的研究具有重要的理论价值和现实意义。
1 工作原理
1.1 拓扑结构及工作模态介绍
三电平智能变压器拓扑如图1所示。Ct1和Ct2为两个容值相等的储能电容， Cf1、Cf2为两个容值相等的输出滤波电容；T为推挽全波式变压器，且4个绕组的同名端均相同，拓扑中的高频变压器不仅起到了电气隔离的作用，而且对电压等级也可灵活控制；4组反向串联的开关管S1a、S1b和S2a、S2b，S3a、S3b和S4a、S4b，构成了交流环节双向开关管，使能量可双向传递。三电平智能变压器可将输入的劣质交流电压波形转变成平滑可调的交流输出波形。

根据输出侧交流电压值大小的不同，SEPIC式三电平智能变压器可以工作在D<0.5和D>0.5两种情况下。


1.2 工作特性分析
1.2.1 主要电压、电流之间的关系表达式
为了方便分析，以变压器原副边中间抽头为分界线，将变压器等效分为上下两部分：T1和T2，且变比相等均为n。下列各式中uT1p、uT1s为T1原边和副边的绕组电压，uT2p、uT2s为T2原边和副边的绕组电压。
一个开关周期中，电感电流变化量及主要电量间的关系如下：

1.2.2 变压器磁复位分析
推挽全波式变压器结构简单且对称，所以应用较为广泛，特别是中小功率场合。但是该变压器在使用中容易产生偏磁现象[1]，原因主要有两点：(1)电路的工作原理导致变压器无法完成磁复位；(2)功率开关管控制方式上的差异使得变压器原边伏秒积不平衡。
根据SEPIC式三电平智能变压器的工作原理可知，开关管S1、S2的占空比相等，这样保证了变压器原边绕组伏秒积相等，不会产生偏磁现象。但是实际样机制作中由于器件的差异、控制信号的偏差等不可能保证两个开关管的占空比完全相同，这就是产生偏磁现象的主要原因。
抑制SEPIC式三电平智能变压器中的推挽全波式变压器偏磁现象主要从两方面着手：功率电路元器件的选择和控制策略的设计。一方面，绕制变压器时要加气隙，不至于因偏磁而导致迅速磁饱和；选择型号相同的MOSFET作为功率开关管，且留有一定的电压、电流裕量。另一方面采用均压控制策略，即在控制中加入占空比修正电路，这种控制方法保证了S1和S2的占空比相等，也就保证了磁通在一个开关周期内可以沿着磁滞回线回到起点以及伏秒积相等，从而保证了SEPIC式三电平智能变压器的正常工作。
2 控制器设计
根据上述对SEPIC式三电平智能变压器工作原理的分析可知，要使电路可靠稳定运行并且得到高质量的输出波形就必须保证电容Ct1和Ct2两端电压uCt1和uCt2相等，所以只采样输出电压的单闭环控制策略不能满足控制需求，必须加入电容电压采样闭环电路来修正S1a、S2a、S1b和S2b的占空比。图4所示为控制策略原理框图，其中uRAMP1、uRAMP2为两路相位相差180°的三角波信号，uEA1、uEA2为经占空比修正后的误差信号。

控制原理：采样电容电压uCt1和uCt2经误差放大器1生成误差信号uEA-cd，再反相得到-uEA-cd；采样输出电压uo和基准正弦波uref经误差放大器2生成误差信号ue；将uEA-cd和-uEA-cd分别与ue叠加，得到误差修正信号uEA1、uEA2，再与三角波信号经比较器生成控制信号。其均压原理[2-4]：如果uCt1大于uCt2，则uEA1减小，S1的占空比相应减小，S2的占空比增大，使得uCt1和uCt2相等；反之，S2的占空比减小，S1的占空比增大。
3 实验结果
为了验证拓扑工作原理和控制电路的正确性，在实验室完成一台500 W的单相原理样机。主要参数：输入ui=220 V AC/50 Hz，输出uo=110 V AC/50 Hz；开关频率fS=50 kHz；储能电感L1=0.4 mH；变压器变比n=1.4；储能电容Ct1=Ct2=15 μF。开关管MOSFET选IRFP460。
图5所示为样机主要实验波形。图5(a)为输入电压与输出电压波形图，输出电压波形正弦度高；图5(b)为输入端储能电容Ct1和Ct2两端的电压波形，可以看出波形质量良好，幅值基本相等，达到了均压的效果，这也间接说明双闭环均压控制策略对抑制变压器偏磁起到了一定的效果，保证了变压器的正常工作；图5(c)~图5(f)为各开关管电压应力波形（漏源端电压），可以看出幅值与理论计算相近，电压应力相比两电平时降低了一半，达到了三电平的效果。

本文研究了隔离式SEPICAC-AC变换器的工作原理，推导了输入输出关系，并进行了闭环仿真实验，验证了拓扑的正确性。实验结果表明，该变换器的开关管电压应力比两电平时降低了50%，使得变换器能够工作在高压大功率场合。同时由于三电平的引入，减小了输出电压谐波污染，电感值也比两电平时减小了许多，这样大大减小了变换器的体积，从而实现更广泛的应用，具有很高的理论价值和工程价值。
参考文献
[1] 推挽电路中变压器偏磁机理及抑制方法的研究[J].电力电子技术，2006，40(5)：101-104.
[2] 阮新波，危健，薛雅丽.非隔离三电平变换器中分压电容均压的一种方法[J].中国电机工程学报，2003(10)：27-31.
[3] Chen Wu，Ruan Xinbo，Yan Hong，et al.DC/DC conversion systems consisting of multiple converter modules：stability，control and experimental verifications[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2009，24(6)：1463-1474.
[4] GRBOVIC P J.Master/slave control of input series and output parallel connected converters：PET for low-cost high-voltage auxiliary power supplies[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2009，24(2)：316-328.