多個H橋級聯整流的研究

馬群立 師書欣 劉 棟

多個H橋級聯整流的研究

馬群立 師書欣 劉 棟

（焦作煤業集團趙固二礦，河南 焦作 454000）

本文介紹了三個H橋的級聯整流控制的拓撲和工作原理，建立了相應的模型，并給出具體控制方案，分析了各參數的設置規則。仿真結果表明，在電路參數變化和負載擾動時，可以實現交流側單位功率因數和各相輸出直流電壓恒定。這對大功率電力電子變壓器的整流部分提供了一個清晰的、便于實現的控制思路。

級聯整流；電壓平衡；控制策略

電力電子變壓器又分為交-交-交變換結構和交-直-交-直-交型雙直流環節結構［1］。本文針對交-直-交-直-交型變壓器的級聯式整流進行分析研究。隨著半導體技術的進步，SiC材料應用于IGBT，單個IGBT已經可以做到15-kV［2］，但要做到更大的容量（如40-kV或者更高電壓的交流輸入）需要將多個H橋進行串聯。

1 系統的數學模型

如圖1所示，Us為供電電源；L、R分別為源電感和源電阻；電容電壓設為UC1、UC2、UC3；R1、R2、R3分別為負載電阻。本文認為各功率器件均具有理想開關特性，電容C1=C2=C3=C。以H橋1為例，定義開關函數為：

式（1）中開關函數的定義，也給我們定義了每個橋的三種狀態。以橋1為例，“1”狀態時，將電容的電壓接入Uab中，這時給電容充電，交流側電流iS減小；“0”狀態時，電容C1被短路掉，交流側電流iS增大；“-1”狀態時，將電容的電壓反向接入Uab中，這時給電容充電，交流側電流iS同樣減小。

圖1 3-H橋級聯整流電路

各H橋的開關分別為S1、S2、S3，建立出系統的狀態方程：

考慮能量守恒，給出系統的能量方程：

式（6）中，IS和US分別為交流電源電壓和電流的幅值；UO為穩態時個橋的輸出電壓，可得穩態時的功率方程為：

忽略中間環節的能量損失，則輸入功率等于輸出功率：

由此可以推出：

為使系統成為一個穩定的系統，則可由式子（9）推出：

由式（11）可以得出負載與輸出電壓的限制條件，如果不滿足該條件，系統將出現不穩定。

2 H橋級聯整流控制策略

2.1 H橋級聯整流控制方法

系統的控制框圖如圖2所示，圖中UC1、UC2、UC3為三個H橋直流側的檢測電壓，UO為理想的輸出電壓。

2.2 H橋級聯整流的電壓平衡控制方法

從上述分析可知，Uad的電壓波形狀態是由三個橋不同的狀態疊加而來的。這時，給出輸出電壓的第二個限制條件：

上式中，UO為給定的理想輸出電壓；uS為交流電壓源檢測電壓；uS-MAX為交流電壓源檢測電壓的幅值。如果要在Uad產生11電平的梯形波，就必須滿足條件式（12）和（13）。

圖2 H橋級聯整流系統框圖

3 仿真結果與分析

在MATLAB/Simulink環境中對該控制方法進行仿真試驗。仿真的具體參數設置如下：

US=220v交流電，頻率50Hz；R=1Ω；L=10Mh；C1=C2=C3=2 200μF；R1=60Ω，R2=100Ω，R3=70Ω；輸出直流電壓理想值設為110v。PI參數為：P=0.5，I=240；滯環帶寬為-0.000 001～0.000 001；

交流側電源電壓與電流同相位，單位功率因數輸出。電流波形為正弦，峰值為3.5A。通過Simulink的FFT TOOLS對電流波形進行分析，主要諧波為三次諧波。THD為11.29%。

4 結論

本文介紹了三個H橋的級聯整流控制的拓撲和工作原理，建立了相應模型，并給出具體控制方案。該控制方法理論明確清晰，在MATLAB/Simulink環境中對該控制方法進行了仿真試驗。在不同負載情況下，系統仍然保持了輸出電壓的穩定均壓，交流側單位功率因數輸出。仿真結果表明：該控制方法穩定、可靠，達到了預期的目標。由于需要調節的參數較少：一個PI和一個滯環，解決了過多調節參數在具體硬件實現所帶來的困難。

［1］J Wang，AQ Huang，W Sung，et al.Smart grid technolo?gies［J］.IEEE Industrial Electronic Magazine，2009（2）：16-23.

［2］C Cecati，A Dell'Aquila，M Liserre，et al.Design of a H-bridge multilevel active rectifier for traction systems［J］.IEEE Transactions on Industry Applications，2003（5）：1541-1550.

Study on Cascade Rectification of Multiple H Bridges

Ma QunliShi Shuxin Liu Dong
（Zhaoguerkuang Mine of Jiaozuo Coal Mining Group，Jiaozuo Henan 454000）

The topology and working principle of cascade rectifier control for three H bridges are intro?duced.The corresponding model is established,and the specific control scheme is given.The setting rules of each parameter are analyzed.The simulation results show that the unity power factor of the AC side and the output DC voltage of each phase can be constant when the circuit parameters change and the load is disturbed.It provides a clear and easy to control method for the rectifier part of high power electronic transformer.

cascaded rectifier；voltage balancing；control strategy

TM461

A

1003-5168（2017）10-0132-02

2017-09-02

馬群立（1982-），男，本科，助理工程師，研究方向：電氣自動化技術以及電力拖動。