分流式三相VIENNA軟開關(guān)整流器研究

藍(lán)文輝

（中國電器科學(xué)研究院股份有限公司 廣州 510300）

引言

為解決傳統(tǒng)整流器的諧波“污染”問題和低功率因數(shù)問題[1]，許多整流拓?fù)浔惶岢觥Ｆ渲凶顬槌Ｒ姷挠腥嗳娖秸髌鳎饕ǘO管箝位型三電平整流器[2]、電容箝位型三電平整流器[3]以及三相VIENNA整流器[4-9]等。前兩者的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制困難，設(shè)計成本高。三相VIENNA 整流器器件較少，控制簡單，沒有橋臂直通風(fēng)險，具有高功率因數(shù)、低諧波、高效率以及低開關(guān)應(yīng)力等優(yōu)良特性，許多學(xué)者對其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、控制策略和中點電位平衡等都進(jìn)行了廣泛研究[4-9]，但其軟開關(guān)技術(shù)的研究依然很少。文獻(xiàn)[10]研究了一種ZCS/ZVS 單相VIENNA 整流器，該拓?fù)淅梅聪蛑鏖_關(guān)充當(dāng)正向主開關(guān)的輔助開關(guān)，無需額外引入輔助開關(guān)，結(jié)構(gòu)簡單，能夠?qū)崿F(xiàn)主開關(guān)的零電流開通和零電壓關(guān)斷。但是該文獻(xiàn)對此拓?fù)涞难芯窟€不夠完善。因此，三相VIENNA 整流器的軟開關(guān)技術(shù)還有待深入研究。

為充分發(fā)揮三相VIENNA 整流器的優(yōu)良特性，解決其二極管反向恢復(fù)問題和硬開關(guān)損耗問題，同時也為了進(jìn)一步提升其電能傳輸效率并減小其電磁干擾，本文提出了一種分流式三相VIENNA 軟開關(guān)整流器，分析了該新型拓?fù)涞幕竟ぷ髟怼④涢_關(guān)實現(xiàn)條件、器件應(yīng)力、功率損耗的計算以及電路參數(shù)的設(shè)計等，并搭建實驗平臺，根據(jù)理論計算和實驗數(shù)據(jù)繪制了損耗曲線和效率曲線，通過與傳統(tǒng)三相VIENNA 整流器的對比分析，驗證了所研究整流器的有效性和優(yōu)越性。

1 原理分析

分流式三相VIENNA軟開關(guān)整流器拓?fù)淙鐖D1所示。圖1 中，ea、eb、ec為三相交流電源，La、Lb、Lc為三相濾波電感，RLa、RLb、RLc為三相濾波電感等效內(nèi)阻，D1～D6為升壓二極管，Lra、Lrb、Lrc為三相諧振電感，Cra、Crb、Crc為三相諧振電容，Sa1～Sa4、Sb1～Sb4、Sc1～Sc4為三相開關(guān)管，C1和C2為輸出濾波電容，RL為負(fù)載電阻。

圖1 分流式三相VIENNA 軟開關(guān)整流器拓?fù)?/p>

1.1 模態(tài)分析

三相對稱情況下，可通過分析其中一相的工作情況來研究三相特性。以A 相正半周期為例，電路可分為6個工作模態(tài)，等效電路圖如圖2 所示，工作波形如圖3所示。其中，Vga1為Sa1驅(qū)動電壓，uSa1為Sa1電壓，uSa2為Sa2電壓，uD1為D1反向電壓，uCra為Cra電壓，iSa1為Sa1電流，iSa2為Sa2電流，iD1為D1電流，iD2為D2電流，iLra為Lra電流；ILP為Lra峰值電流，VCP為Cra峰值電壓；ia為輸入電流，V0為輸出電壓。

圖2 分流式三相VIENNA 軟開關(guān)電路A 相工作模態(tài)

1）模態(tài)一[t0～t1]：Sa1和Sa3開通，Lra、Sa1、Cra、Sa3、C1和D1形成諧振回路，Lra被充電，Cra被放電，iLra緩慢上升，iD1緩慢下降，抑制了D1的反向恢復(fù)，實現(xiàn)了Sa1和Sa3的零電流開通。在t1時刻，iD1降為0，iLra升為ia。

2）模態(tài)二[t1～t2]：D2導(dǎo)通，Lra、Sa1、Cra、Sa3、C2和D2形成新的諧振回路，Lra被充電，Cra被放電，iLra和iD2先上升后下降。在t2時刻，uCra降為（V0/2），iLra降回ia，iD2降回0。

3）模態(tài)三[t2～t3]：D2關(guān)斷，Lra恒流導(dǎo)通，Cra恒流放電。在t3時刻，uCra降為0。

4）模態(tài)四[t3～t4]：Sa2和Sa4體二極管導(dǎo)通，ia平均分流到Sa1和Sa2體二極管上。

5）模態(tài)五[t4～t5]：Sa1和Sa3關(guān)斷，分流結(jié)束，Lra恒流導(dǎo)通，Cra恒流充電，uCra從0 緩慢上升，實現(xiàn)了Sa1和Sa3的零電壓關(guān)斷。在t5時刻，uCra升到(V0/2)。

6）模態(tài)六[t5～t6]：D1導(dǎo)通，Lra、Sa2體二極管、Cra、Sa4體二極管、C1和D1構(gòu)成諧振回路，Lra被放電，Cra被充電，iLra開始下降，iD1開始上升，uCra繼續(xù)上升。到t6時刻，iLra降為0，iD1升到ia，uCra升到VCP，Sa2和Sa4體二極管關(guān)斷。

1.2 軟開關(guān)實現(xiàn)條件

從圖3 可以看出，該電路存在占空比損失，記Don和Doff分別為開通占空比損失和關(guān)斷占空比損失，Ts為開關(guān)周期，則有Don·Ts=t3-t0，Doff·Ts=t6-t4。Don和Doff應(yīng) 越小越好。

圖3 分流式三相VIENNA 軟開關(guān)電路A 相工作波形

記ωr為諧振角頻率，結(jié)合模態(tài)分析可得：

該電路是通過降低開通電流上升速率和關(guān)斷電壓上升速率實現(xiàn)軟開關(guān)，因此，軟開關(guān)條件很容易滿足，只需保證開關(guān)管的占空比D 滿足Don＜D＜(1-Doff)。

1.3 器件應(yīng)力分析

該電路的器件應(yīng)力如表1 所示。其中，VCr1為Cra在t1時刻的電壓值。

表1 工頻正半周期內(nèi)分流式三相VIENNA 軟開關(guān)電路各器件應(yīng)力

2 參數(shù)設(shè)計

不 同Cra下Don和Doff與Lra的關(guān)系曲線如圖4 所示，可以看出，Don和Doff受Lra影響很小，而Cra越大，Don和Doff越大，故Cra取值最好小于0.3uF。令Vpk=ia/(ωrCra)，則Vpk可體現(xiàn)電壓應(yīng)力，ILP可體現(xiàn)電流應(yīng)力。不同Cra下Vpk和ILP與Lra的關(guān)系曲線如圖5 所示，可以看出，Lra越小，Cra越大，電壓應(yīng)力越小；Lra越大，Cra越小，電流應(yīng)力越小。因此，電壓應(yīng)力和電流應(yīng)力應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)娜∩帷＝?jīng)過權(quán)衡，文中最終選取Lra=3uH，Cra=0.1 uF。

圖4 不同Cra下Don和Doff與Lra 的關(guān)系曲線

圖5 不同Cra下，Vpk和ILP與Lra的關(guān)系曲線

3 仿真及實驗驗證

3.1 仿真分析

仿真參數(shù)如表2 所示。文中利用simulink 搭建仿真電路，采用空間矢量調(diào)制的控制方式。圖6 為正半周期下A 相工作波形，可以看出，仿真波形與理論分析基本一致。

表2 分流式三相VIENNA 軟開關(guān)電路參數(shù)

圖6 分流式三相VIENNA 軟開關(guān)電路正半周期下A 相工作波形

3.2 實驗驗證

文中搭建了分流式三相VIENNA 軟開關(guān)電路實驗平臺，其中功率開關(guān)管采用MOSFET，型號為STW15NA50，升壓二極管采用快恢復(fù)二極管，型號為IDW15E65D2，控制芯片采用tms320f28069。

圖7 為正半周期下A 相開關(guān)管和升壓二極管的開關(guān)波形。可以看出，開關(guān)管的開通電流上升速率和關(guān)斷電壓上升速率都很緩慢，實現(xiàn)了零電流開通和零電壓關(guān)斷；升壓二極管關(guān)斷時，沒有反向恢復(fù)問題，且實現(xiàn)了零電流關(guān)斷，開通時，其電流在反向電壓降為0 后才開始增大，實現(xiàn)了零電壓開通。

圖7 A 相開關(guān)管和升壓二極管開關(guān)波形

綜上所述，所設(shè)計的分流式三相VIENNA 軟開關(guān)整流器，能夠?qū)崿F(xiàn)功率開關(guān)管和升壓二極管的軟開關(guān)，消除升壓二極管的反向恢復(fù)電流，且通過合理的參數(shù)設(shè)計不會出現(xiàn)過高的電壓應(yīng)力，實驗波形與理論分析及仿真波形相符，驗證了所提拓?fù)涞挠行院蛢?yōu)越性。

4 結(jié)論

論文提出了一種分流式三相VIENNA 軟開關(guān)電路并開展了進(jìn)行了相關(guān)研究：分析了其工作模態(tài)、軟開關(guān)實現(xiàn)條件、器件應(yīng)力、開關(guān)損耗并進(jìn)行了參數(shù)設(shè)計。理論分析、仿真及實驗驗證表明該拓?fù)淠軌驅(qū)崿F(xiàn)主開關(guān)管全范圍內(nèi)的零電流開通和零電壓關(guān)斷，解決二極管的反向恢復(fù)問題，提高整流器的效率，減小電磁干擾，且原理簡單，結(jié)構(gòu)簡單，控制方便，成本低，效率高，器件應(yīng)力和電磁干擾在合理參數(shù)下都在處于容許范圍，因此具有較為突出的優(yōu)點和實際應(yīng)用價值。