高壓三相PFC整流電路的研究＊

王歸新，徐春雷，鮮萬春

（1.三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌443002；2.宜昌市供電公司，湖北 宜昌443002）

1 引言

傳統(tǒng)的三相整流雖然可以滿足系統(tǒng)大功率的需求，但是存在諧波大、功率因數(shù)低等缺點。三相VIENNA型PFC整流器，具有控制簡單、輸入功率因數(shù)高、無諧波污染等優(yōu)點，適合于三相大功率電路，便于工程應(yīng)用中的實現(xiàn)。文獻中采用滯環(huán)控制方法［1－3]，用反饋信號與正弦采樣信號組合，再應(yīng)用PWM技術(shù)實現(xiàn)PFC電路的穩(wěn)壓和電流的正弦化，可使電路在電感電流連續(xù)CCM和臨界連續(xù)BCM模式下工作，簡化了電路，降低制造成本。針對所作系統(tǒng)進行仿真，驗證了系統(tǒng)的可行性和優(yōu)越性。

2 VIENNA電路原理

2.1 原始主電路

如圖1所示的電路三相三開關(guān)三電平整流電路［2]，開關(guān)采用4個二極管和一個全控型MOSFET管組成。根據(jù)電路的對稱性可以知道電容中點電位與電網(wǎng)中點的電位近似相同。

當(dāng)A相開關(guān)管關(guān)斷時，E點F點電位相等，UFH＝UDC則 UGH＝0.5UFH＝0.5UDC，又 UEH＝UDC，又 UEM＝0.5UDC，因此 UMG＝0，UEH＝0.5UDC，即 VIENNA 電路中開關(guān)器件只承受了一半的輸出直流電壓，所以開關(guān)管電壓應(yīng)力小，非常適合于大功率三相PFC整流電路。

圖1三相VIENNA電路

圖1電路中，電流可以雙向流動，輸出端串聯(lián)的兩個濾波電容上的電壓為1／2輸出電壓。a點、b點、c 點的電壓都有三種電平，分別是 1／2Uo、0、－1／2Uo，三個電平取決于開關(guān)管的開通和關(guān)斷以及電流的方向。整個電路構(gòu)成了1992年由Pinheiro J R提出的三相三開關(guān)三電平PFC電路［1]，即為三相維也納型（VIENNA）整流電路。

2.2 電路的等效

如果用雙向開關(guān)S1，S2和S3來分別代替圖1中的三個開關(guān)，那么圖1可簡化為圖2。

圖2 電路等效圖

圖 2 中 D1、D2，D3，D4，D5，D6 為快恢復(fù)二極管，S1，S2，S3為雙向開關(guān)，可以通過雙向開關(guān)S1，S2和S3來分別控制對應(yīng)相上的電流。每一相電感電流的大小完全可以根據(jù)需要隨時進行控制，工作在CCM模式下，可以大大減小諧波。

以A相為例，當(dāng)開關(guān)閉合時，A相直接對LA儲存能量，電感電流增大。當(dāng)開關(guān)斷開時，電感中儲存的能量向輸出直流側(cè)釋放，在A相電壓的正半周，電流流經(jīng)LA，LA、D1、C1形成升壓斬波電路，在電壓的負半周，LA、D4、C2形成升壓斬波電路。在圖1所示的電路中，當(dāng)三相中的一相處于直通狀態(tài)時，另外兩個斬波相的電壓相對于直通相的線電壓就會出現(xiàn)同時為正或同時為負或一正一負的情況，當(dāng)同時為正使電流只能從C1上流過，同時為負時，電流只能從可以從C2上流過，當(dāng)線電壓為一負一正時，電流可以從C1和C2上流過，這就造成了電容電壓的嚴重不平衡，因此在其控制方法上就需要考慮這個問題。

3 VIENNA電路的控制

同其它PFC電路一樣，三相VIENNA電路主要目的是在得到穩(wěn)定的輸出直流電壓的同時，實現(xiàn)輸入交流電流的正弦化和單位輸入功率因數(shù)并且要求開關(guān)管的電壓應(yīng)力要小。三相VIENNA電路實際上可以等效為兩個常規(guī)的PFC電路的級聯(lián)，從常規(guī)PFC電路得到的一般控制方法都可以應(yīng)用于該電路中。但是，與常規(guī)PFC電路不同，這種電路拓撲要根據(jù)三相電流的不同時段而發(fā)生改變。對于三相VIENNA電路來說，由于會出現(xiàn)兩個電容上的電壓嚴重失衡，為了解決這個問題，文中引進了了區(qū)間控制即控制電路拓撲的改變，只需要在不同時段找出中間相并使之在該時段內(nèi)一直處于直通狀態(tài)，而最高相和最低相在該時段內(nèi)一直處于高頻斬波狀態(tài)。

3.1 分時段信號的產(chǎn)生

嚴格說來，分時段信號的產(chǎn)生應(yīng)當(dāng)根據(jù)最高相、最低相和中間相的輸入電流而不是輸入電壓來將一個工頻周期劃分為6個區(qū)間。但是，在PFC電路穩(wěn)定運行之前，三相電流信號根本就不存在，即使有也不是三相正弦波形。這就意味著若以三相電流信號作為區(qū)間劃分的輸入信號，系統(tǒng)根本沒有穩(wěn)定運行的可能性。解決這個問題的辦法是取電壓信號代替電流信號，這是因為PFC電路的根本目的是實現(xiàn)輸入電流的正弦化和功率因數(shù)為1，輸入電流在波形和相位上與輸入電源電壓基本上是一致的，僅就區(qū)間劃分的需要而言，輸入交流電流信號完全可以以輸入交流電壓信號來替代，而輸入電壓信號總是存在的。令每一相電壓在正向和負向過零的30°范圍內(nèi)其對應(yīng)的開關(guān)一直導(dǎo)通，另外兩相交替斬波，信號劃分區(qū)間如圖3所示。

圖3 三相電壓信號

根據(jù)圖3所示的三相信號以及時段的劃分，有等式（2）：

根據(jù)式（2）的信號要求，設(shè)計出時段（相位）劃分電路如圖4所示。

圖4 相位劃分電路

在圖4中，三相線電壓uab、ubc、uca經(jīng)過電壓互感器隔離降壓后，再經(jīng)過由一階RC網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的濾波器濾除噪聲，送入過零比較器轉(zhuǎn)換為線電壓方波同步信號。三個線電壓方波同步信號通過反相器獲得三個線電壓的反相電壓uba、ucb、uac的方波同步信號。這六個方波信號經(jīng)過邏輯門后產(chǎn)生6個時段的高電平信號。

考慮到VIENNA電路在一個工頻周期內(nèi)的6個時段的拓撲有兩兩相同，即電路拓撲實際上只有3種，因此將6個時段高電平信號兩兩相或得到3個高電平信號，以控制相應(yīng)的相雙向開關(guān)直通。

3.2 控制方法

通常對PFC電路的控制采用電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)的控制結(jié)構(gòu)［4]，其中電壓外環(huán)的目的是使輸出直流電壓穩(wěn)定，電壓環(huán)的輸出通過乘法器乘以參考正弦信號后作為內(nèi)環(huán)電流環(huán)的電流參考信號，系統(tǒng)檢測主電路上的電流與參考電流信號進行比較，誤差量經(jīng)過調(diào)節(jié)器后輸出PWM脈沖占空比。鑒于本系統(tǒng)功率較大，主開關(guān)管采用四管并聯(lián)結(jié)構(gòu)，所以采用能夠高精度跟蹤基準(zhǔn)正弦電流信號、電路調(diào)試方面、易于實現(xiàn)多管或多模塊的滯環(huán)控制法來控制［3]。但在系統(tǒng)閉環(huán)帶寬、增益等參數(shù)的配合調(diào)試上要注意協(xié)調(diào)，否則系統(tǒng)不易穩(wěn)定。

控制部分由電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)組成，外環(huán)調(diào)節(jié)電壓，內(nèi)環(huán)矯正功率因數(shù)。雖然每一相都配備獨立的電壓環(huán)有利于提高控制精度和響應(yīng)速度實現(xiàn)三相獨立調(diào)節(jié)，但是不利于斬波時段的控制，嚴重時導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定，因此，在設(shè)計控制電路時不宜為每一相配備一個獨立的電壓控制環(huán)，必須三相公用一個公共電壓控制環(huán)。

以S1的導(dǎo)通信號PWM a的生成為例，輸出電壓U0和給定電壓Uref相比較，二者的差值經(jīng)過PID調(diào)解之后通過乘法器乘以參考正弦信號ua半波后作為內(nèi)環(huán)電流環(huán)的電流參考信號，系統(tǒng)檢測主電路上的電流ia半波與參考電流信號進行比較，誤差量經(jīng)過調(diào)節(jié)器后輸出PWMa，同理生成PWMb和PWMc。

控制部分生成的PWM a、PWM b、PWM c分別和區(qū)間控制中的輸出La、Lb、Lc分別相或，所的信號即為PWMA、PWMB和PWMC作為最終的開關(guān)控制信號，把它們分別送給雙向開關(guān)S1、S2、S3，使得電路電流電壓同相位，達到功率因數(shù)校正的目的。

由于電流參考信號由電壓反饋環(huán)決定，所以為了保持系統(tǒng)穩(wěn)定且獲得高的功率因數(shù)，反饋環(huán)的帶寬不宜太寬。

4 仿真結(jié)果（輸出直流4000V）

三相VIENNA電路閉環(huán)控制參數(shù)如下：

其仿真結(jié)果如圖5所示（取A相電壓電流來觀察）。

圖5 三相PFC電路閉環(huán)控制仿真結(jié)果

如圖5所示，輸入電流幅值為85A，輸出電壓為4000V，輸出電壓的誤差范圍是-2～+2V。從圖中可以看出三相輸入電流為和輸入電壓同相位的正弦波，說明電流環(huán)參數(shù)設(shè)計合理，功率因數(shù)校正效果好。輸出電壓穩(wěn)定，說明電壓環(huán)參數(shù)設(shè)計合理。從而驗證了文中分析方法的正確性。

5 實例設(shè)計（輸出800V）

原理樣機如圖6所示，其主要參數(shù)為：輸入幅值為311V的三相交流電壓，輸出直流電壓V0＝800V，輸出功率 1.6kW，開關(guān)頻率 f＝100kHz，主電路所選的元器件有：輸入EMI濾波電路中所用的電容型號為 250V、105K、MPX275～X2，陶瓷電容的型號為4700pF、250V、AH472M，有機電容的型號為 CSDMPR224J630V，升壓電感 0.2mH（Tokin FEER42-2500B，23匝），開關(guān)管 Sa、Sb、Sc型號為SPW47N60CFD，Dn5、Dn6等快恢復(fù)二極管型號為DSEC60-06A，Dn1-Dn4型號為DS145-08A，輸出穩(wěn)壓電容有19個電解電容并聯(lián)，型號為San con CD29H。

圖6 樣機圖

圖7 波形圖

如圖 7（a）、（b）所示，利用樣機做實驗，通過觀察波形，可以看到所有的波形都很干凈，輸入三相電流和三相電壓同相，功率因數(shù)近似為1，輸出電壓為800V，波形比較穩(wěn)定，電壓值波動較小。

6 結(jié)論

本文從理論上分析了三相VIENNA電路的性能，又利用仿真對其做了驗證，并給出了一個設(shè)計實例，進行了實驗驗證，通過分析可以得出如下結(jié)論。

（1）用滯環(huán)控制法可以對三相VIENNA型電路的功率因數(shù)進行很好的矯正，可以得到一個輸出穩(wěn)定，無諧波污染，控制簡單，高輸入功率因數(shù)等諸多優(yōu)點的大功率三相整流系統(tǒng)。

（2）開關(guān)管所承受的電壓應(yīng)力均為輸出直流電壓的一半，因此該變換器非常適用于高壓大功率的應(yīng)用場合。

（3）在實際的高壓場合中（比如4000V）輸出穩(wěn)壓電容的型號選擇比較艱難，這個問題還有待解決。

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