一種抑制Swiss 整流器低頻管啟動電流的控制策略

王永生，陸楊軍

（上海杰瑞兆新信息科技有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引 言

目前，在三相大功率用電設(shè)備、電動汽車充電樁等領(lǐng)域，為滿足電網(wǎng)相關(guān)法規(guī)要求，交流/直流（Alternating Current/Direct Current，AC/DC）轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)均須配備功率因數(shù)校正（Power Factor Correction，PFC）設(shè)備。傳統(tǒng)的不控整流雖然成本低，結(jié)構(gòu)簡單，但會產(chǎn)生大量諧波，且功率因數(shù)低。隨著社會的發(fā)展，具有效率高、諧波含量低等特點(diǎn)的PFC 設(shè)備將獲得廣泛應(yīng)用。

傳統(tǒng)的電流型整流器多采用六開關(guān)降壓拓?fù)洌刂戚^為復(fù)雜[1]。Swiss 整流器作為一種新式降壓型整流器，具備結(jié)構(gòu)簡單、效率高、電流畸變率低等優(yōu)點(diǎn)[2]。文獻(xiàn)[3]對Swiss 整流器用于電動汽車充電樁進(jìn)行了研究，介紹了一種新型的LC 濾波阻尼控制方法。文獻(xiàn)[4]對不同調(diào)制策略下六開關(guān)Buck 整流器和Swiss 整流器進(jìn)行了綜合比較，評估了矢量調(diào)制和載波調(diào)制條件下各自拓?fù)涞膿p耗、電流質(zhì)量、效率等指標(biāo)。文獻(xiàn)[5]提出了一種換相區(qū)邊界電流畸變的抑制措施。國內(nèi)外論文介紹了三次諧波注入網(wǎng)絡(luò)低頻管的控制方法，但沒有給出啟動策略。

文章介紹Swiss 整流器的基本原理和控制策略，針對實(shí)際應(yīng)用中非優(yōu)化策略下三次諧波注入網(wǎng)絡(luò)（低頻管）啟動沖擊電流大的問題，提出一種基于電網(wǎng)電壓瞬時值的優(yōu)化啟動控制策略，以抑制沖擊電流，并搭建了系統(tǒng)樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 Swiss 整流器電路結(jié)構(gòu)與原理

Swiss 整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1 所示，包括網(wǎng)側(cè)濾波電感LF、濾波電容CF、三相整流橋、功率開關(guān)、直流側(cè)電感以及直流側(cè)電容等。其中，功率開關(guān)部分由三相低頻管和正負(fù)母線Buck 拓?fù)浣M成。三相電網(wǎng)的相電壓分別用為eA、eB、eC表示。

圖1 Swiss 整流器拓?fù)?/p>

一個電網(wǎng)周期的三相電網(wǎng)電壓波形圖及電網(wǎng)電壓合成矢量圖如圖2 所示[6]。低頻管Sa、Sb、Sc的調(diào)制策略如表1 所示，表中1 表示該低頻管處于導(dǎo)通狀態(tài)，0 表示關(guān)斷狀態(tài)。低頻管調(diào)制策略的主要作用是補(bǔ)償網(wǎng)側(cè)電流死區(qū)，且周期內(nèi)任意時刻都只有一相導(dǎo)通。

表1 低頻管調(diào)制策略

圖2 三相電網(wǎng)電壓波形圖及電網(wǎng)電壓合成矢量圖

以電網(wǎng)電壓的0 ～30°相位為例，根據(jù)圖1 中QH、QL的開關(guān)狀態(tài)，可以分為（ON，ON）、（ON，OFF）、（OFF，ON）、（OFF，OFF）共4 種組合，其中ON 表示導(dǎo)通，OFF 表示關(guān)斷。每個模態(tài)下的電流矢量為

式中：itotal為合成電流矢量；ia、ib、ic為三相電流；IDC為直流側(cè)電流。合理分配式（2）～式（5）中4 個基礎(chǔ)電流矢量的作用時間，可以控制合成電流矢量itotal，實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)[7]。

2 低頻管沖擊電流產(chǎn)生機(jī)理及抑制策略

針對5 kW 的實(shí)際使用需求，考慮電磁兼容、總諧波失真（Total Harmonic Distortion，THD）和功率因數(shù)等因素，對Swiss 整流器主電路進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)。Swiss 整流器啟動過程采用低頻管先啟動、Buck 拓?fù)湓賳拥哪Ｊ健?/p>

以電網(wǎng)電壓的0 ～30°相位為例，低頻管啟動前后的電路模態(tài)如圖3 所示，考慮實(shí)際工程應(yīng)用中的電磁兼容及性能要求，主拓?fù)潆娐芳尤胼斎霝V波電容、濾波電感和直流側(cè)高頻濾波電容。

圖3 低頻管啟動前后的電路模態(tài)

圖3（a）為低頻管啟動前的電路模態(tài)，此時高頻管QH、QL處于關(guān)斷狀態(tài)。穩(wěn)態(tài)條件下忽略電感和二極管壓降，直流側(cè)的濾波電容電壓為

式中：max()為取最大值函數(shù)；min()為取最小值函數(shù)。圖3（b）為低頻管啟動后的電路模態(tài)，此時高頻管QH、QL處于關(guān)斷狀態(tài)，Sb=1。穩(wěn)態(tài)條件下忽略電感和二極管壓降，直流側(cè)濾波電容電壓為

式中：mid()為取中值函數(shù)。

電網(wǎng)電壓在有效值為220 V、頻率為50 Hz 條件下式（6）和式（7）的圖形如圖4 所示。由圖4 可見，在電網(wǎng)電壓相位為時進(jìn)行低頻管啟動，直流側(cè)高頻濾波電容電壓不會發(fā)生突變，在其他相位條件下啟動低頻管，直流側(cè)高頻濾波電容電壓壓差較大且電路中阻抗較小，故浪涌沖擊電流較大，極有可能損壞低頻管器件。其中，在電網(wǎng)電壓相位為時，直流側(cè)高頻濾波電容電壓壓差最大。

圖4 低頻管啟動前后直流側(cè)濾波電容的電壓波形

3 實(shí) 驗(yàn)

為驗(yàn)證理論分析的正確性和措施的有效性，采用一臺5 kW 的Swiss 整流器進(jìn)行驗(yàn)證，TMS320F28069型數(shù)字信號處理器作為主控制器。采用抑制策略前后的沖擊電流波形圖如圖5 所示。圖5（a）為未采用抑制策略的低頻管沖擊電流波形，可見低頻管導(dǎo)通瞬間，流過的電流急劇增大，峰值達(dá)到57 A，振蕩結(jié)束后恢復(fù)為0。圖5（b）為采用抑制策略后的低頻管沖擊電流波形，可見低頻管在相電壓過零點(diǎn)處導(dǎo)通，且導(dǎo)通瞬間流過電流，峰值達(dá)到7 A，振蕩結(jié)束后恢復(fù)為0。

圖5 采用抑制策略前后沖擊電流波形

4 結(jié) 論

文章研究了一種基于Swiss 整流器的低頻管啟動控制策略，主要用于抑制低頻管啟動過程中的沖擊電流，通過理論分析給出了沖擊電流產(chǎn)生的機(jī)理并在此基礎(chǔ)中提出了控制策略，通過試驗(yàn)驗(yàn)證了該策略的有效性。