减少可控开关数量的单相到三相直流链路升压变换器

从一根线到三相电

许多家庭和小型作坊只有简单的两线墙壁插座，而驱动水泵、驱动工厂设备和电动车等机器通常需要更强的三线电源。本文研究了一种新的电子电路，它能将普通的单相电源以更少的元件转换为更强的三相电源，从而更容易、更便宜地让重载电机使用常见插座供电。

为何将单相变为三相很重要

三相电机比单相供电的电机运行更平稳、更高效，因此被广泛应用于工业和交通领域。然而，要在偏远农场、小型作坊或孤立站点分配完整的三相电力成本很高。与其重布电网，工程师常在墙壁插座和电机之间安装变换器。现有变换器虽能完成任务，但通常需要大量开关、体积大的电容器和复杂的控制方法，导致成本、体积和能耗增加。

从插座到电机的更简洁途径

作者提出了一种新的单相到三相变换器，同时能够将输出电压提升高于输入电压。其核心仅由六个可控开关、两个二极管和两个构成直流链路的电容器组成。电路的前端使用两个二极管和分割电容将输入的交流电转化为稳定的中间电压。后端则用六个开关按三相桥腿排列，将该稳定电压重构为三个平衡的波形输出，其幅值和频率可根据电机需要进行调节。

新电路如何构造洁净电能

为驱动开关，设计采用了一种常见的调制方法——正弦脉宽调制。简单来说，它将平滑的参考正弦波与快速三角波比较，以决定每个开关的导通与切断时刻。这种时序产生了三相近似正弦的输出电压，同时保持开关数量较低。电路还配备了紧凑的电感-电容滤波器，以抚平剩余的纹波，使来自墙壁的输入电流和流向电机的输出电流失真度均较低，并符合电力质量标准的要求。

软件仿真与实验室测试

团队先建立了整流器、逆变器和滤波器的详细数学模型，并使用 MATLAB/Simulink 对系统进行了仿真。在 80 伏输入下，该变换器每相约输出 160 伏，显示出约两倍的电压增益，同时保持输入电流失真约 6.85% 和输出电流失真约 0.37%。当输入改为 60 伏且负载电阻增大时，仍然大致可得到每相约 160 伏，使电压增益提高到约 2.7。随后他们构建了基于绝缘栅双极晶体管和数字控制板的硬件原型，并测量了波形、谐波谱和开关电压。实验室结果与仿真高度一致，变换器效率在 85% 到 90% 之间，每个开关承受的电压应力也仅为中等水平。

对实际应用的意义

对读者而言，关键信息是：该新型变换器可以用更少的电子元件将普通单相电源转换为更强、更洁净的三相电源。这有助于降低成本、体积和热损耗，同时仍能提供电机所需的平稳电能。实际上，这样的设计可以使在仅有标准插座的场所更容易运行三相设备，而不会牺牲效率或电能质量。

引用: Nagi, H.A., El-Sabbe, A.E. & Osheba, D.S.M. Single-phase to three-phase DC-link boost converter with reduced controlled switch count. Sci Rep 16, 16146 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-53542-z

关键词: 单相到三相变换器, 电力电子, 电压升压, 电机驱动, 谐波失真