高功率因數機載三相VIENNA整流器研究

胡國光 戴錢坤 鄒曉漁

（1.海軍駐上海地區軍事代表局無錫214063）（2.中國航空工業集團公司雷華電子技術研究所無錫214063）

高功率因數機載三相VIENNA整流器研究

胡國光1戴錢坤2鄒曉漁2

（1.海軍駐上海地區軍事代表局無錫214063）（2.中國航空工業集團公司雷華電子技術研究所無錫214063）

隨著越來越多的機載用電設備采用開關式電源，三相電流總諧波含量（THD）越來越大，對飛機電網造成了很大的諧波污染，并且嚴重地降低了三相電源的功率因數，因此，三相功率因數校正（PFC）技術解決電力污染方面扮演著越來越重要的作用，成為近年來研究熱點。論文研究了機載三相VIENNA整流器，對其采用單周期控制方法，最后實現了三相功率因數校正電路。仿真與實驗結果表明該電路在三相功率因數校正方面有著良好的效果，在中小功率機載雷達上具有廣泛應用前景。

機載電源；三相整流器；功率因數校正（PFC）；單周期控制

Class NumberTM11

1 引言

機載雷達交流供電系統一般采用三相115VAC/400Hz供電方式，而傳統的AC-DC電源采用的不控整流技術會在電源輸入端產生很大的電流尖峰，造成嚴重的電磁干擾，同時導致功率因數很低，諧波污染嚴重，帶來了很大的無功功率損耗引起設備發熱等損害。而三相功率因數校正（PFC）技術可以大大改善機載雷達的電源線傳導發射，同時抑制三相電源系統中的電流諧波含量［1～4］。而研究如何使機載雷達設備同時滿足GJB151A-97《軍用設備和分系統電磁發射和敏感度要求》和GJB181-86《飛機供電特性》中對輸入電流諧波含量要求是目前研究的熱點和難點。

三相VIENNA技術是一種新型的三相有源功率因數校正技術［5～8］，其具有功率因數校正效果好，三相電流諧波含量更小，并且其體積小，重量輕，效率高等特點，在中小功率雷達使用中具有廣泛的應用前景。相比較三相無源功率因數校正技術，其輸入電流諧波含量更低，低頻諧波分量較少，更有利于雷達電源在通過CE101和CE102的電磁兼容性測試。

本文在研究三相VIENNA電路工作原理的基礎上，分析了采用模擬電路的單周期控制［9～12］在三相VIENNA電路上的應用方式，相比較數字實現方式，模擬電路開關頻率更高，體積重量可以更小，最后對該電路進行了仿真和試驗。

2 三相VIENNA電路原理

三相VIENNA電路電路拓撲如圖1所示。由于電路的對稱性，電容中點電位和電網中線的電位近似相同，實際電路中將其短接，中線通過電容中點引出來實現了三相四線。通過雙向開關S1、S2、S3可分別控制對應相上的電流。

三相VIENNA電路可以等效為三個單相PFC電路，相當于三個獨立的單相PFC電路輸出并聯。因此就可以通過對每相電路單獨控制實現電路的功率因數校正。

可以通過分析單相PFC電路工作原理來了解整個三相VIENNA電路的工作原理：以A相為例，當開關S1合上時，對應電感L1的電流幅值增大，開關斷開時對應橋臂上的二極管導通，如果輸入正弦電壓υA為正值，上臂二極管D1導通，輸出電流給電容D1充電；輸入電壓為負時，下臂二極管D2導通，輸出電流給電容D2充電。電感電流通過二極管向負載輸出電流，同時電感上的電流幅值減小，從而實現對電流的控制。因此該電路拓撲是一個boost型的升壓電路，具有和傳統boost電路相同的PFC效果。實際電路中并沒有單個現成的雙向開關管，需要使用分立元件組合：由四個二極管和一個開關管構成，特點是只需要一個開關管就能實現雙向開關工作，有助于控制電路的設計。無論電壓方向如何，電流都可以從開關管單向流過。

3 單周期控制策略

圖2所示為三相VIENNA電路控制結構圖，通過采樣每一相輸入電流和總的輸出電壓，分別對每一相電路進行單周期控制，然后輸出端并聯輸出電壓實現整個控制過程。單周期控制簡化了控制電路結構，避免對輸入電壓采樣和使用復雜的模擬乘法器。

單周控制的核心是帶復位端的積分器，該控制技術的核心思想是在每一個開關周期內使受控量的平均值等于或正比于參考量。這樣單周控制技術可以擴展為通用的控制理論，理論上可以應用于任何形式的開關變換器。

PFC電路的控制目的是要使得輸入電流Iin的工頻波形跟隨輸入電壓波形Vin，由功率因數定義可知，要實現功率因數校正必須滿足式（1）

式中Re為變換器的輸入阻抗。如果在任一個開關周期內，Re都可等效為一個純電阻，則功率因數PF=1。設Vo為輸出電壓，Rs為輸入采樣電阻，Rs和Re都是常數，令：

當輸出濾波電容C足夠大時，輸出電壓Vo、Vm可以看作常數。由上式可知，變換器的輸入端阻抗等效為一個純電阻，Iin總是跟隨Vin。當輸入電壓為正弦波時，使輸入電流波形與輸入電壓的周期和

將式（1）代入到式（2）中，則可得：相位均相同的正弦波，從而實現功率因數接近1。由于在一個開關周期內Boost變換器的輸入電壓與輸出電壓的關系可以表示為

將式（3）代入到式（4）中，其控制目標方程可以表示為

式（5）的原理如果能用實際應用電路來實現，則輸入電流就能夠跟蹤輸入電壓，實現功率因數校正。Vm在理論上是與Vo成比例的直流電壓，若占空比D可以滿足式（5），則可以保證輸入電流波形與輸入電壓波形成比例并同相位，以實現PFC功能。設變換器的開關周期為T，構造單周期控制方程組如下

由控制方程組（6）可知，只要通過電路實現V1(t)和V2(t)的比較即可確定占空比D。

圖3 所示為實現單周期控制電路框圖，其中積分項由帶有復位開關的積分環節實現。電壓采樣電路采樣輸出電壓在經過PI調節器后得到電壓Vm，Vm在一個周期內積分得到V2(t)，電流采樣調理電路通過采樣電阻Rs得到電流采樣調理信號，再和Vm作差得到V1(t)。通過比較器比較V1(t)和V2(t)，當二者相等時，通過觸發器輸出占空比信號給驅動電路工作，在每個周期結束后將積分電路復位，在下一個周期內重復上述過程就完成了單周期控制過程。

4 電路設計

4.1 主控芯片簡介

本文的單周期控制采用了英飛凌公司的ICE3PCS02作為主控芯片，該芯片為英飛凌公司最新一代采用單周期控制的PFC芯片，特點是：

?整個負載范圍內保持高效率；

?8只引腳、電路簡潔；

?內置數字電壓閉環補償電路；

?負載突變時動態響應更快；

?外置同步時鐘和電流尖峰限制。

主要引腳功能如下：

?端1（ISENSE）：電流采樣端；

?端2（GND）：芯片接地端；

?端3（ICOMP）：電流環路補償端；

?端4（FREQ）：開關頻率設置端；

?端5（OVP）：過壓保護端；

?端6（VSESE）：母線電壓檢測端；

?端7（VCC）：芯片電源端；

?端8（GATE）：功率管驅動端。

4.2BOOST電感設計

首先要確定開關頻率，開關頻率越高那么磁性元件的體積就可以做的較小，并且有利于EMC濾波器設計，但是太高的開關頻率也會帶來更多的鐵損和功率器件的開關損耗，因此綜合考慮取開關頻率為200kHz。根據手冊選擇控制芯片的端4腳所接頻率設置電阻為22kΩ。

一般認為電感電流紋波率γ為0.4時電感的損耗最低，輸入電壓范圍為100V～120V，占空比為D，輸出電壓Vo為380V，可得最小占空比：

其中Vin_min為輸入電壓最小值100V，Dmin等于0.629。

可以得到電感值L的取值范圍：

式中fs為開關頻率取200kHz，Iin_maxRMS為輸入最大電流有效值，根據功率2000W及電源效率0.96可得Iin_maxRMS為6.9A，帶入可得電感L≥166μH，實際取電感值為200μH。

4.3 輸出電容設計

BOOST輸出電容影響著輸出電壓穩定和輸出電壓紋波，此外輸出紋波還需要考慮國軍標對掉電50ms的要求，此處按照掉電時間和掉電最低電壓來設計電容值。

其中，Iav為輸出平均電流，等于輸出功率和輸出電壓平均值之比，輸出功率為2000W，假設輸出電壓從380V下降到220V，輸出電壓平均值為300V，得到平均電流Iav為6.67A，th為掉電時間50ms，ΔV為輸出電壓降到最低電壓的差值160V，得到輸出電容值最小為2084μF。

5 仿真和試驗結果

根據上面介紹的三相三電平PFC電路原理和電路設計，利用Matlab/simulink工具對該三相PFC電路進行仿真，輸如電壓為三相115V/400Hz，功率為2000W，圖4所示為輸入電壓和輸入電流波形，仿真實驗驗證了單周期控制在三相VIENNA電路中的可行性，可以看到輸入電流波形近正弦，且和電壓相位保持一致，達到了三相功率因數校正的目的。

根據上述分析，制作了一臺2kW原理樣機，輸入電感200μH，輸出電容正端和負端各并聯1000μF，開關管的選擇主要考慮電壓、電流應力、開關速度等，此處選擇英飛凌COOLMOS場效應管，導通電阻為45mΩ，功率二極管采用CREE公司的碳化硅肖特基二極管，開關頻率為200kHz。

圖5所示分別是半載和滿載時整流器輸入電壓和輸入電流波形，可以看到滿載時輸入電流波形總是能跟蹤輸入電壓波形，二者幾乎沒有相位差，且三相電流波形正弦度和均流度均很好，和仿真結果保持一致。

6 結語

本文研究了三相VIENNA整流器及其單周期控制原理，在此基礎上進行了仿真和試驗。仿真和試驗結果表明該電路能夠大大提高三相用電設備的功率因數，并且有效地降低了電流諧波含量，使得雷達電源能夠滿足GJB181-86《飛機供電特性》中對輸入電流諧波含量要求，同時，對于雷達電源通過GJB151A-97《軍用設備和分系統電磁發射和敏感度要求》中CE101和CE102測試也有很大的幫助。該技術在中小功率雷達電源應用中具有較大的應用前景。

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High Power-factor Airborne Three-phase VIENNA Rectifier

HU Guoguang1DAI Qiankun2ZOU Xiaoyu2
（1.Military Representative Bureau of Navy Equipment Department in Shanghai，Wuxi214063）（2.Leihua Electronic Technology Institute，AVIC，Wuxi214063）

With the increasing number of various electrical equipment of the switch power-supply，the harmonic distortion（THD）of the three-phase current has become more and more and a large number of harmonic injected into the airborne pollution and reduced the power-factor seriously，therefore，the three-phase PFC technology plays a very important role in addressing the electricity nuisance，and has been a hot research in recent years.This paper considered airborne three-phase VIENNA rectifier which could be the equivalent of three single-phase Power-Factor-Correction（PFC）circuits.The results of the modulation and experiment demonstrated the satisfactory effects of the circuit on the three-phase power-factor-correction and the wide application prospects on the airborne radar.

airborne power supply，three-phase rectifier，power-factor-correction，one-cycle control

TM11

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.06.032

2016年12月11日，

2017年1月28日

胡國光，男，碩士，工程師，研究方向：雷達技術。戴錢坤，男，碩士，工程師，研究方向：雷達電源技術。鄒曉漁，

男，碩士，研究員，研究方向：雷達電源技術。