三相四開關整流器的研制

東莞理工學院電子工程與智能化學院 賴宇威 張 志 付 威 黃鵬峰 張潤超

深圳市同立方科技有限公司 葉曉東

三相四開關整流器拓撲具有功率器件少、成本低、裝置體積小、效率高和開關損耗低等優點，同時又可作為三相六開關整流器故障時的容錯拓撲，因此三相四開關整流器受到廣泛關注。本文首先介紹了三相四開關整流器的主電路，并且提出一種電流前饋型解耦的電壓電流雙閉環控制策略。為了抑制直流側兩電容電壓不平衡的情況，采用了一種前饋補償的控制策略，實現直流側兩電容電壓的平衡控制，并進行仿真實驗驗證了所提出控制策略的正確性和可行性。

1 三相四開關整流器的系統硬件設計

三相四開關整流器主電路拓撲結構：

三相四開關整流器的拓撲結構如圖1所示，基于三相電流和為零的原理，應用兩個電容代替兩個開關管組成一組橋臂，整流側將輸入的三相交流電流整流為直流電輸入到連個電容中間點。同時采用四個開關管組成另外兩組橋臂，交流側的電感用于儲存和釋放能量，負載側采用電阻模擬負載應用。

2 三相四開關整流器的控制策略

與傳統的脈寬調制技術（SPWM）相比，基于SVPWM調制技術的三相整流拓撲的直流電壓利用率更高，功率管的開關損耗率也更低并且擁有更好的動態性能，且在實現的手法上更加簡單易行，所以本文采用SVPWM的調制方式。

2.1 帶前饋解耦的電流閉環控制

由于三相電流的dq軸分量之間存在交錯耦合，在這種耦合狀態下對電路的系統控制難度將會大大提升，所以在進行電流控制要先進行解耦。在采用PI控制的電流內環中加入三相電流的有功分量Id和無功分量Iq解耦，控制方程為：

依據電流內環的對稱性，只要對Id的控制設計就能同時得到Iq的控制設計。

2.2 電壓閉環控制

圖1 三相四開關整流器主電路拓撲

圖2 系統控制框圖

圖3 三相四開關整流器主電路

圖4 三相四開關整流器控制部分

圖5 網側電壓電流波形

圖6 直流側負載電壓

圖7 直流側電流

當直流側電壓不穩定時將會產生較大的波動，不利于能量的儲能釋能變換狀態。因此可以在上一節所說得電流內環的控制基礎上加入電壓外環，采用電壓電流雙環控制，其控制流程如圖2所示。

3 MATLAB仿真的搭建

圖3所示為使用Simulink搭建的三相四開關整流器的主電路，其中包括三相電源、整流橋、負載、控制電路等。部分參數選擇為：電感2mH，負載電阻100，電容2000。

3.1 控制電路

圖4所示為三相四開關整流器的控制部分，其中主要包括坐標變換、相位角計算、電壓外環、電流內環、前饋解耦等組成。

3.2 仿真結果與分析

從圖5所示可以看出，網側電壓電流的相位基本一致，表明其功率因數接近1，三相電流畸變率小于10%。從圖6、7所示看出，直流側負載電壓基本穩定在70V，電流在穩定在0.7A。仿真驗證了該方案的可行性，符合課題要求。

4 結論

本文以TMS320F25035芯片為核心處理器，展開對三相四開關整流器的拓撲研究，以下為本文主要研究部分：

（1）介紹三相四開關整流器的背景與應用，分析其工作原理。

（2）說明一種基于前饋補償的電容電壓不平衡抑制策略。

（3）硬件上說明各個電路的原理及設計方案。

（4）通過MATLAB仿真驗證實驗可行性并進一步搭建實物驗證理論的合理性與正確性。