基于感容輔助網絡的低諧波輸入三相整流器

陳 仲 羅穎鵬 陳 淼 朱銀玉

（南京航空航天大學航空電源重點實驗室 南京 210016）

1 引言

直流側大電容濾波的三相整流器廣泛應用于中大功率電力電子裝置的電網輸入側接口，由于二極管的非線性使得輸入電流嚴重畸變，致使大量諧波電流注入電網，且功率因數較低[1]。

從整流器本身出發，使其不產生諧波或者降低諧波，即為主動治理。主要包括以下幾種措施：①高頻 PWM整流技術?？捎行Ц纳戚斎腚娏鳎涑杀靖?，開關損耗大，效率不高，特別是在中、大功率場合，高頻PWM整流的缺陷就更加明顯[2]。②多脈沖整流技術?？捎行Ы档驮O備成本，且不會產生EMI，但設備體積仍略顯笨重，并且要取得理想的諧波抑制效果，通常脈沖數量也需相應增加[3-4]。③三次諧波注入法。也是一種行之有效的減小電流諧波的方法，利用不控整流電路內部具有的三次諧波脈動產生三次諧波電流，將其注入到三相輸入側，抑制輸入電流畸變，但該方法并未獲得廣泛的應用[5-7]。近年來，一些新型的整流器拓撲也相繼提出，如近正弦輸入三相整流器（Rectifier With Near-Sinusoidal Input Currents, RNSIC），其由輸入電感、三相整流橋以及與整流二極管連接的電容組成，電路拓撲結構比較簡單，工作可靠性高，可有效改善網側電流波形，提高功率因數[8-9]，具備應用潛力。盡管已有的文獻對典型RNSIC拓撲有一定的分析和設計，但是目前對該類型整流器的研究，特別是對一些共性問題，如：拓撲形成規律、電路工作特點、參數設計方法和電路特性等方面的研究尚不夠深入、系統和完善。本文試圖從這一角度出發，做進一步的探究。

2 基于無源輔助網絡的低諧波輸入三相整流器拓撲

2.1 低諧波輸入三相整流器拓撲形成

在前人研究的基礎上，作者通過總結認為：通過在直流側采用電容濾波的三相不控整流橋輸入側增加一個無源輔助網絡，可以有效地減小輸入電流諧波含量，提高裝置的功率因數；根據輔助網絡結構的不同，進而可以推出八種基于感容輔助網絡的低諧波輸入三相整流器拓撲（見圖1）。

圖1 基于感容輔助網絡的低諧波輸入三相整流器拓撲Fig.1 A family of low harmonic input three-phase rectifier with inductors and capacitors auxiliary circuits

2.2 各拓撲間的比較

拓撲1的輔助網絡為串聯型無源濾波器[10-11]，由電感和電容構成一組并聯諧振支路，其諧振頻率為某次諧波頻率，因此一般情況下需設置多個諧振單元。而拓撲2中的輔助網絡則構成了一組串聯諧振支路，其諧振頻率為基波頻率，對基波呈現出低阻抗，對諧波呈現出高阻抗，進而改善輸入電流，但其諧波抑制效果取決于輔助網絡的品質因數且隨負載變化較大[12]。拓撲4中的輔助電容C直接并聯于三相輸入電源之間，在實用中對該電容容值的選取較難把握。拓撲6和8則是在拓撲4的基礎上將輔助網絡的端子引入到直流側，增強了諧波抑制效果。

對于拓撲 3、5、7，已有研究顯示：盡管缺乏實用設計方法，但通過定性設計后可以取得較明顯的校正效果[8-9]，近年來引起人們的更多關注。本文選取這三種拓撲為典型代表進行研究和比較；并搭建相應的實驗樣機，給出實驗結果，以揭示基于無源輔助網絡的低諧波輸入三相整流器的一般規律。為便于分析，本文將拓撲 3、5、7分別命名為RNSIC-2，RNSIC-3，RNISC-1。

3 工作模式的對比分析

在三種整流器中，Lu,Lv,Lw為交流電感，感值為L。對 RNSIC-1，換流電容為C1～C6；對 RNSIC-2和RNSIC-3，換流電容為C1～C3，且容值皆為C。

定義 u相電流正向過零點為零時刻（t=0），電容C1放電完成時刻為t1。根據t1的不同將 RNSIC整流器的工作狀態分成大負載電流、中負載電流和小負載電流三種工作模式。三種整流器中，電容充、放電均始于二極管電流過零點處，C1的放電起始時刻，放電完成時刻以及放電時間見表1。

表1 C1的放電起始時刻，放電完成時刻以及放電時間Tab.1 Start time, end time and duration of current discharging C1

3.1 大負載電流模式

該模式下t1的對應區間均為：0＜ωt1＜π/3，圖2給出了該模式下RNSIC的關鍵波形。如圖2a所示，三種整流器具有相同的二極管導通圖，存在 2個或者3個二極管導通的工作階段且每個二極管導通時間為π/ω-t1，因此它們具有相同的等效電路。此時，流經二極管的電流為輸入電流。

圖2 大負載電流模式下三種RNSIC的關鍵波形Fig.2 Key waveforms of RNSIC in large current mode

RNSIC-1和 RNSIC-2的直流側電流io波形相同，為不等寬的十二脈波（見圖2b）；RNSIC-3中io為不等寬的六脈波（見圖2c）。三種整流器的直流側電流io平均值表達式相同

式中，Im為輸入電流幅值。

3.2 中負載電流模式

圖3給出了該模式下RNSIC的關鍵波形。三種整流器直流側電流io波形各不相同，在 RNSIC-1中為不等寬的十二脈波；在RNSIC-3中則出現電流斷續。對于RNSIC-2而言，io為等寬的六脈波，其平均值表達式則變為

圖3 中負載電流模式下三種RNSIC的關鍵波形Fig.3 Key waveforms of RNSIC in medium current mode

3.3 小負載電流模式

圖4給出了該模式下RNSIC的關鍵波形。三種整流器的io都出現斷續，RNSIC-1和 RNSIC-3中io平均值的表達式仍為式（1），RNSIC-2中io平均值則變為

圖4 小負載電流模式下三種RNSIC的關鍵波形Fig.4 Key waveforms of RNSIC in small current mode

通過上述分析，可以看出：這三種RNSIC整流器工作模式區分的根本原因在于不同負載下二極管（或輔助電容）導通情況不同，而不同輔助網絡結構則又造成了直流側電流波形差異。

4 輔助網絡的優化設計

4.1 輔助網絡結構的選擇

針對不同的應用場合（即不同的輸入、輸出電壓，輸出功率等），選取何種RNSIC整流器，即選取何種輔助網絡結構是首要解決的問題。

圖 5給出了不同輸出電壓時，RNSIC的ωt1隨輸入電壓Um變化的曲線。由于整流器的工作模式取決于其電容充電結束時刻t1，因此圖5實質上給出了RNSIC工作模式的判斷依據。通過對比，發現如下特征：①RNSIC的工作模式僅由輸入、輸出電壓決定，而與輸出功率無關；②在低輸入電壓高輸出電壓的場合，適合將整流器設計在小負載電流模式，而在高輸入電壓且輸出電壓相對不高的場合，適合將整流器設計在大負載電流模式；③RNSIC-2中負載電流工作模式的區間寬度稍窄。

圖5 近正弦輸入電流整流器ωt1的變化曲線Fig.5 Variations of angle ωt1 as a function of Um and Uo

4.2 基于時域加權平均的輔助網絡參數設計

本文提出采用時域平均法對該族整流器的輔助網絡進行參數設計，即通過對不同時間段內得到的參數值在時域上進行加權平均來得到最終的參數優化設計值。

通過研究發現：除去RNSIC-2在中負載電流模式下僅含一個工作階段（即二極管導通個數維持兩個不變）這一特殊情況外，當整流器工作于其他任意一種工作模式時，每 1/6周期內均存在二極管導通個數不同的兩個工作階段。例如，小負載工作模式時，RNSIC-1（RNSIC-3）存在1個或者沒有二極管導通的兩個階段，RNSIC-2則存在2個或者沒有二極管導通的兩個階段（見圖4）。此外，該族整流器的工作狀態每 1/6工頻周期循環一次，因此，其輔助網絡的參數設計，可按下面的步驟進行：

（1）根據整流器電氣指標，選擇最適合的輔助網絡結構，同時確定RNSIC整流器的工作模式。

（2）根據整流器的工作模式，選擇任一 1/6周期，在其中的兩個工作階段分別計算各自的輔助網絡參數值。

（3）將這兩個工作階段得出的參數設計值在1/6個周期內進行加權平均，得到最終的參數優化設計值。

例如：按照上述方法，推導出RNSIC-2在小電流模式下的參數優化值：

優化電感值

優化電容值

式中

5 特性分析

5.1 參數優化值對整流器特性的影響

本節討論輸入電壓、輸出電壓、輸出功率變化時，RNSIC整流器輔助網絡參數設計和特性之間的一些關系。

圖6a和圖6b分別給出了輸出電壓為500V，不同輸出功率下，輔助網絡電感和電容優化值隨輸入電壓Um變化的曲線。從圖6a中可以看出：①該族整流器輔助網絡電容優化值具有相似的變化趨勢，即電容值隨著輸入電壓的增加而單調減小，而隨著輸出功率的增加逐漸增大；②三種拓撲中，RNSIC-2的電容優化值最小，RNSIC-3最高且近似為RNSIC-1的兩倍。

圖6 近正弦輸入電流整流器電感電容優化值曲線Fig. 6 Variations of L and C as a function of Um

從圖 6b中可以看出不同輔助網絡的電感具有相近優化值，且具有相似的變化趨勢：① 隨著輸入電壓的增加，電感優化值先逐漸增大，但進入大負載電流模式后又逐漸減?。虎?隨著輸出功率的增大，電感優化值逐漸減小。負載變化時，通過調節輔助網絡無源器件值及整流器電壓，也可以得到好的輸入電流及較高的功率因數。有兩種情況：

（1）輸入、輸出電壓恒定。當輸出功率變化時，必須適當調整輔助電感值。如6b圖中當整流器輸入電壓為 200V，而輸出功率由 300W 增加到 1000W時，電感值需由點A變為點B。顯然，這在實際應用中是不容易實現的。

（2）輸出電壓、電感值恒定。通過適當調節輸入電壓（以及電容值）可使得整流器在不同輸出功率下都能獲得較高功率因數。如圖6b中當輸出電壓保持為500V，功率由300W增加到1000W時，輸入電壓需由點a（或d）變為點b（或c）。同樣，當輸入電壓恒定時亦類似。

5.2 整流器外特性

5.2.1整流器輸出特性

直流側電流io的紋波大小對于直流側濾波電容的選取十分重要，式（7）和式（8）給出了直流側電流方均根紋波因數的表達式。

圖7 RNSIC整流器的輸出特性Fig.7 Output characteristics of RNSIC converters

利用MATHCAD軟件繪制了RNSIC整流器直流側紋波電流以及輸出電壓的歸一化曲線，如圖7所示。由圖 7a可知，其直流側電流紋波因數具有如下特征：① 由大負載電流模式向小負載電流模式過渡時，紋波逐漸增大；② RNSIC-1的直流側紋波電流相對最小，而在大、中負載模式下，RNSIC-3的紋波最大。由圖 7b可知，RNSIC的輸出電壓隨負載電阻增大而上升。

5.2.2整流器輸入特性

圖8給出了RNSIC輸入電流THD以及輸入功率因數隨負載電阻變化的曲線，其特征為：① 輸入電流 THD隨負載變化不大，都在 2%以下。② 負載變化時，輸入電流和輸入電壓之間的位移逐漸增加，功率因數隨負載變化有較大幅度的降低。

圖8 RNSIC整流器的輸入特性Fig.8 Input characteristics of RNSIC converters

6 實驗結果

為了驗證以上分析的正確性，在實驗室完成了七臺RNSIC三相整流器樣機，參數見表2。其中樣機1～5采用RNSIC-1拓撲，樣機6、7則分別采用RNSIC-2和 RNSIC-3拓撲。樣機 1、4、5、6、7都工作在大負載電流模式，ωt1設計值為0.31π；樣機2、3分別工作在中、小負載電流模式，ωt1設計值分別為0.50π和0.73π。

表2 RNSIC整流器樣機參數Tab.2 Specification of RNSIC prototypes

圖 9a～圖 9g分別給出了七臺實驗樣機的輸入電壓、電流波形，從圖中可見輸入電流正弦度很好，且和相電壓之間的相位差很小。圖9h為利用頻譜分析儀Fluck43B給出的樣機1的輸入電流頻譜：THD值為4.656%。此外，其他六臺樣機的輸入電流THD也都低于6%，而且所有樣機輸入側PF均大于0.99。

圖9 RNSIC整流器輸入電壓、電流波形Fig.9 Experimental waveforms of RNSIC converters

對比樣機1和4可以發現，輸入、輸出電壓不變，而輸出功率由7.18kW減小至4.79kW時，通過將交流側電感感值由27.7mH增大至41.5mH，電容容值由 22.46μF減小至 14.92μF即可獲得較好的效果（見圖9d）。而對比樣機1和5可以發現，輸入電壓、交流側電感不變，而輸出功率由 7.18kW 增大至 7.95kW 時，通過將電容容值由 22.46μF增大至27.7μF，且輸出電壓由500V增大至515V，同樣可獲得較好的效果（見圖 9e）。實際應用中，只要輸出電壓在允許范圍內，則可通過增加電容的調節級數以使得整流器在較大負載變化范圍內都能獲得較好的輸入電流波形和高功率因數。這和前面的特性分析相一致。

圖 10a～圖 10c分別給出了樣機 1、2、3的電容電壓波形，從中可以看出：對于RNSIC-1而言，電容充放電起始于電流過零點，ωt1即為電容充放電時間。測得三臺樣機的ωt1分別約為 3π/10、π/2、7π/10，其工作于大、中、小負載電流模式，與設計值吻合。

圖10 RNSIC整流器電容電壓波形Fig.10 Experimental waveforms uCu of RNSIC converters

由表2可知，樣機1、6、7具有相同的電氣指標，分別用三種RNSIC整流器拓撲實現。對比發現，三臺樣機電感值相同，樣機1和6的電容值相同，樣機 7的電容值則是其兩倍。圖 11a～圖 11c分別給出了樣機1、6、7的直流側電流波形，由圖可知：當工作在大負載電流模式下，且整流器電氣指標相同時，RNSIC-1與 RNSIC-2的直流側電流波形相同，為12脈波；而RNSIC-3的直流側電流為6脈波且紋波較大，這與前述中的分析相吻合。

圖11 RNSIC整流器直流側電流波形Fig.11 Experimental waveforms io of RNSIC converters

7 結論

本文從拓撲形成規律出發，推出了一族基于感容輔助網絡的低諧波輸入三相整流器。通過對三種優選整流器拓撲進行了詳細的研究和對比，分析和實驗結果表明：基于無源輔助網絡的三相整流器結構簡單，能夠有效抑制輸入電流諧波、提高功率因數；本文采用的原理分析和參數設計方法是有效可行的，揭示了該族整流器的一般特性，對于其他類型無源三相整流器的分析及應用具有一定的參考價值。此外，對于該族整流器在一些特定情況下，諸如電網電壓非理想、不同性質負載等方面的適應能力還有待于作進一步深入地研究。

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