基于PWM高頻斬波電路拓撲結構整流器的研究

潘少祠 姚島 王微

摘要??? 本文主要根據(jù)諧波電流發(fā)射國家標準的要求，研究電子產品諧波電流中功率因數(shù)PF和總諧波失真THD改善策略，以應對諧波電流發(fā)射對電網(wǎng)的影響，通過研究高頻斬波電路拓撲結構的整流器，建立電路模型對PF和THD進行分析，解決電子產品諧波電流不符合國家標準諧波電流限值的問題。

【關鍵詞】斬波電路 功率因數(shù) 總諧波失真EMC

諧波電流發(fā)射是由于電子電氣產品電路負載非線性引起的電流畸變灌入電網(wǎng)，特別是大功率電子電氣設備工作時的諧波電流發(fā)射，嚴重的時候會對電網(wǎng)造成污染，引起其他電子設備，電氣設備，機電設備的工作故障。因此國家標準GB17625.1和GB/Z17625.6對諧波電流有嚴格的限制。隨著新能源汽車的越來越普及，充電設備越來越多，通常充電設備的功率相對比較大，諧波電流發(fā)射的問題不容忽視。

1 原理

1.1 諧波電流分析

諧波電流的產生主要是負載非線性引起的，主要有：半導體負載，如二極管，DCDC模塊，引起電流畸變;感性負載，如大功率電機，可引起電流相位滯后;容性負載，可引起電流相位超前。諧波電流發(fā)射的限制具體可以通過分析各次諧波對應的限值判斷是否滿足標準要求，但是從電網(wǎng)電源的電壓和電流分析，可以歸結為功率因數(shù)PF和總諧波失真THD兩方面，其中PF包含了電流失真和電流相位的信息，THD主要評價電流失真。

由傅里葉變換可知，電流畸變的發(fā)射輸入電流其瞬時電流i（t）可以表示為：

公式

公式中n為電流諧波次數(shù)，其中n=1對應電流的基波分量。n次電流諧波的有效值

公式

功率因數(shù)定義為有功功率與視在功率之比

公式

在AC-DC變換電路中，輸入電流由基波和各次諧波組成，其電流有效值

公式

因此要消除電流諧波需要從電流相位和電流畸變入手。

1.2 高頻斬波電路拓撲

目前用于功率因數(shù)校正的高頻斬波電路主要是BOOST電路，加入電感和電容來調節(jié)電流相位和波形，利用電感續(xù)流和電容儲能以達到調整功率。同時BOOST電路可以把電壓升高，電壓升高雖然絕緣要求更高，但是更大的好處：利于提高效率，在相同功率下，電壓高電流小，線材的線徑小，再進行DC-DC變換時利于提高效率。見圖1-4的電路拓撲結構及其演變，圖1是單相整流器BOOST斬波電路，圖2是單相倍壓電路，圖3是單相倍壓電路高頻斬波整流器，圖4是三相高頻斬波整流器，其中圖4的電路拓撲結構也稱為三相VIENNA等效電路，即三電平三開關BOOST整流器，也是目前三相PFC主流技術的其中一種。功率小于2.5kW的單相供電設備一般采用圖1電路結構，可以滿足GB17625.1標準要求。更大功率設備一般采用三相電供電，則可以采用圖4電路結構以滿足GB/Z17625.6標準要求。圖1所示電路結構已經(jīng)有很多成熟的方案可供采用，圖4是在對諧波電流發(fā)射和功率因素要求更高的三相電設備中應用，是目前研究的主流結構之一。

2 控制電路模型及整流器仿真

2.1 控制電路模型

結合圖4建立電路模型的控制環(huán)路模型如圖5，控制環(huán)路運用了嵌入式數(shù)字和模擬電路相結合的方式，采用電壓外環(huán)，電流內環(huán)的滯環(huán)控制方式。控制環(huán)路與電流的函數(shù)關系：f（i）=?v（t）*?i*sin（ωt），通過加入電流內環(huán)的電壓控制模式，能夠通過輸出電壓變化控制，保證輸入電流的相位跟隨輸入電壓相位，達到相位一致，電流內環(huán)的控制是平均電流控制模式能夠保證電流的波形變化跟隨電壓波形變化，接近正弦波。

2.2 整流器仿真分析

仿真條件為三相交流輸入380V50Hz，輸出直流800V，輸出功率10kW。圖6顯示的是單相整流器中電壓電流波形，可以看出電流波形嚴重畸變，仿真結果PF不到0.5，THD高達180%。圖7是加入頻率為100kHz的PWM高頻斬波電路，所示其中一相電流和電壓相位基本一致，PF接近1，THD只有4.5%，圖8所示為其中一相電流波形。

3 結論

通過研究高頻斬波電路拓撲并且建立三電平三開關的三相VIENNA電路模型，根據(jù)電路結構和器件參數(shù)，進行了仿真分析，為進一步研究和設計大功率三相高頻斬波整流器積累經(jīng)驗，由于采用了PWM斬波，在解決諧波電流發(fā)射問題中平衡EMI問題仍然需要進一步研究。

參考文獻

[1]楊成林，陳敏，徐德鴻.三相功率因數(shù)校正（PFC）技術的綜述[J].電源技術應用，2002.

[2]羅濤.三相有源功率因數(shù)校正技術的研究[D].武漢：華中科技大學碩士學位論文，2007.

[3]毛鵬.航空應用三相高功率因數(shù)整流器研究[D].南京：南京航空航天大學，2010.

[4]周永鵬，趙金程.三相電壓型PWM整流的新型直接功率控制[J].電氣傳動，2011.

[5]王歸新，徐春雷，鮮萬春.高壓三相PFC整流電路的研究[J].電器傳動自動化，2013.[6]周潔敏，趙修科.開關電源磁性元件理論及設計[M].北京：北京航空航天大學出版社，2014.

[7]王健強譯.sanjaya電源設計（第2版）[M].人民郵電出版社，2015.