VSR和CSR的換流過程仿真對比分析

摘要：電流型整流器具有降壓輸出的優勢，適用于數據中心、電動汽車等應用場合。為了將電壓型整流器的成熟技術移植到電流型整流器中，文章對兩種整流器的換流過程進行分析比較，并分別提取了各整流器的換流電路，通過LTSPICE仿真對整流器的換流過程進行分析比較。結果表明，由于電路結構的不同，兩種整流器在換流過程中呈現出不同的換流規律。

關鍵詞：VSR；CSR；LTSPICE仿真；換流過程；電流型整流器 文獻標識碼：A

中圖分類號：TM461 文章編號：1009-2374（2017）11-0118-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.11.060

1 概述

PWM整流器是采用全控型器件，將脈寬調制技術與整流器控制策略相結合，從而使整流器網側電流正弦化，是一種“綠色電能變換”的整流器。PWM整流器的主電路根據輸出特性有兩大類，分別為電壓型PWM整流器（Voltage Source Rectifier，VSR）與電流型PWM整流器（Current Source Rectifier，CSR）。

電壓型PWM整流器以其開關結構的結構簡單、調制方便、效率較高、動態響應快等優點，長期是PWM整流器研究的熱點與應用的首選。電流型PWM整流器，又稱buck整流器，具有降壓輸出、濾波器體積小等優勢，適用于通訊、數據中心的前端，也適用于電動汽車充電器、感應加熱、變速電機驅動等場合，然而電流型PWM整流器的研究相對較少。由于VSR具有較成熟的技術，將CSR和VSR進行對比，可以更有利于CSR的研制。

為了將電壓型整流器的成熟技術移植到電流型整流器中，本文對兩種整流器的換流過程進行分析比較。并通過LTSPICE仿真和雙脈沖實驗探索規律。

2 變換器換流分析

電壓型整流器和電流型整流器的儲能單元、開關單元、控制及調整方法均不相同，對應的換流波形也有所區別。

2.1 VSR和CSR的換流分析

如圖1所示，電壓型整流器直流側采用電容濾波，同一橋臂的兩個開關管不能同時導通，通常換流是在橋臂的上管和下管之間進行換流，當忽略非換流器件結電容的影響，僅分析換流開關單元。

電流型整流器的輸出端采用電感作為儲能元件，換流過程中需要確保一條電流回路，避免直流側電感上出現大的電流波動。所以CSR中換流通常發生在同一側橋臂電路上，即上側或下側橋臂之間的開關管進行換流，當忽略非換流器件結電容的影響，僅分析換流開關單元。

2.2 仿真分析

在LTSPICE軟件中建立整流器的換流模型。仿真電路中采用的功率管和二極管均為CREE公司的器件，器件的仿真模型來自CREE公司官方網站。

表1所示為器件的定額參數。表2所示為電路仿真參數。此外，為了使仿真結果更加準確，在換流回路中加入了回路寄生電感。在仿真電路中，需要注意的是要確保SiC MOSFET驅動電壓范圍在-5～25V之內。

圖2（a）、（b）分別為VSR換流電路和CSR換流電路的驅動信號。由于VSR中需要防止橋臂直通，在換流開關中需要加入死區時間，因此S2處于常斷狀態，與此相反，CSR中需要加入疊流時間，為此S2處于常通狀態。

圖3所示為基于VSR的仿真結果，圖4所示是基于CSR的開關單元換流波形。圖中實線是10Ω柵極驅動電阻下的開關波形，虛線是0.3Ω柵極驅動電阻下的開關

波形。

將圖3和圖4的波形進行對比，可以看出，CSR在換流過程中開關管的電壓電流振蕩頻率比VSR的振蕩頻率大。CSR中換流波形的衰減速度比CSR中衰減速度快。對比10Ω驅動電阻對應的實線波形和0.3Ω驅動電阻對應的虛線波形中，可以得知在VSR和CSR中，驅動電阻對換流的影響規律一樣，即驅動電阻的減小可以加快開關管的開關速度，同時加大功率管的振蕩幅度。

3 結語

本文對比分析了VSR和CSR的拓撲結構，結合變換器的換流原理，從變換器中分別提取了對應的換流電路，并通過LTSPICE仿真和雙脈沖實驗對換流過程進行分析。

仿真表明，由于換流回路的寄生電感和晶體管的結電容影響，在換流過程中存在著振蕩現象；由于CSR的開關單元是由功率管和二極管串聯組成，開關單元具有導通電阻大、結電容小等特點，所以換流波形存在著振蕩頻率高衰減系數大等現象。此外，降低驅動電路的驅動電阻可以加快開關管的開關速度，但也會增大波形的振蕩幅度，因此在選擇驅動電阻時要綜合開關速度和振蕩幅度兩方面因素進行綜合選擇。

參考文獻

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作者簡介：楊錦春（1981-），男，江蘇吳江人，連云港市環境衛生管理處工程師，研究方向：電子信息。

（責任編輯：蔣建華）