基于VIENNA拓?fù)涞臄?shù)字化三相三電平整流器

阮景義

(中興通訊股份有限公司，廣東 深圳 518055)

0　引　言

VIENNA整流器是三相三電平PFC電路，可應(yīng)用于通信電源、不間斷電源、交流傳動(dòng)系統(tǒng)及特種電源中。VIENNA整流器具有多種優(yōu)點(diǎn)：功率因數(shù)高，不需要中線、無三次諧波，開關(guān)管電壓應(yīng)力小，具有高功率體積比或高功率質(zhì)量比，不存在開關(guān)直通問題，數(shù)字化控制技術(shù)使得整流器的調(diào)測(cè)和維護(hù)更加便捷。

1　VIENNA整流器解決方案

VIENNA整流器采用三相無中線輸入方式，控制單元采用數(shù)字化控制技術(shù)，總體解決方案如圖1所示。DSP控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入電壓、輸入電流、輸出電壓以及溫度等信號(hào)的檢測(cè)，并根據(jù)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)發(fā)送PWM波和各種保護(hù)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)功率電路的控制和保護(hù)。由于三相電流滿足ia+ib+ic=0，因此只需要檢測(cè)兩相電流，在程序中通過換算實(shí)現(xiàn)對(duì)第三相電流的采樣，即ic=-ia-ib，這樣既可以節(jié)約材料成本，又避免因采樣自身誤差而導(dǎo)致ia+ib+ic≠0。

2　VIENNA整流器工作模態(tài)

VIENNA整流器在一個(gè)工頻周期中有48個(gè)工作模態(tài)，為方便講述，以三相PFC電路工作于圖2中[t1，t2]時(shí)段為例說明VIENNA整流器工作模態(tài)。

工作模態(tài)1：S1、S2、S3開通，電壓vAO=0,vBO=0,vCO=0，C1、C2通過直流側(cè)負(fù)載放電。

工作模態(tài)2：S1和S2開通、S3關(guān)斷，電壓vAO=0,vBO=0,vCO=-vd/2，C1通過直流側(cè)負(fù)載放電，正向電流對(duì)電容C2充電。

圖1　VIENNA整流器總體解決方案

圖2　三相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及相電壓示意圖

工作模態(tài)3：S1和S3開通、S2關(guān)斷，電壓vAO=0,vBO=-vd/2,vCO=0，C1通過直流側(cè)負(fù)載放電，正向電流對(duì)電容C2充電。

工作模態(tài)4：S1開通，S2和S3關(guān)斷，電壓vAO=0,vBO=-vd/2,vCO=-vd/2，C1通過直流側(cè)負(fù)載放電，正向電流對(duì)電容C2充電。

工作模態(tài)5：S1關(guān)斷，S2和S3開通，電壓vAO=vd/2,vBO=0,vCO=0，正向電流對(duì)電容C1充電，C2通過直流側(cè)負(fù)載放電。

工作模態(tài)6：S1和S3關(guān)斷，S2開通，電壓vAO=vd/2,vBO=0,vCO=-vd/2，正向電流對(duì)電容 C1充電，C2通過直流側(cè)負(fù)載放電。

工作模態(tài)7：S1和S2關(guān)斷，S3開通，電壓vAO=vd/2,vBO=-vd/2,vCO=0，正向電流對(duì)電容C1充電，C2通過直流側(cè)負(fù)載放電。

工作模態(tài)8：S1、S2、S3關(guān)斷，電壓vAO=vd/2,vBO=-vd/2,vCO=-vd/2，正向電流對(duì)電容 C1及C2充電。

由上可知工作中產(chǎn)生四個(gè)電平：vd，vd/2，-vd/2，0，其絕對(duì)值是三個(gè)，即vd，vd/2，0，組成了三電平。

3　VIENNA整流器控制策略

VIENNA整流器的控制如圖3所示，整流器的控制策略包括三相數(shù)字鎖相環(huán)SPLL、電壓環(huán)控制、中點(diǎn)平衡控制和電流環(huán)控制等。

圖3　VIENNA整流器控制原理的基本框圖

(1) 三相數(shù)字鎖相環(huán)SPLL：鎖相環(huán)作為PFC控制的一個(gè)重要組成部分，其主要作用為無中線系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)的正弦電流參考，以及生成電流控制的調(diào)制波信號(hào)。

(2)中點(diǎn)平衡控制：平衡狀態(tài)時(shí)Uca=Ucb=Udc/2，若出現(xiàn)中點(diǎn)不平衡會(huì)將無法得到標(biāo)準(zhǔn)的輸入三電平電壓，影響THD；而且過大的偏壓，會(huì)造成電容和MOS管的損壞。平衡狀態(tài)時(shí)，Uca=Ucb=Udc/2，設(shè)電容偏差ΔUM=Uca-Ucb，令I(lǐng)NPC=Km[Uca-Ucb]。

(3)電壓環(huán)控制：在單一電壓環(huán)PI控制器中，電壓環(huán)輸出中含有明顯的諧波成分，為減小這種諧波成分，可對(duì)檢測(cè)到的電壓信號(hào)求平均值進(jìn)行濾波。

(4)電流環(huán)控制：PFC控制策略的演變主要以電流控制方式展開，電流環(huán)滯環(huán)控制具有控制方法簡(jiǎn)單和電流響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)，但要求較高的開關(guān)頻率。鑒于DSP頻率和電感體積限制，在實(shí)驗(yàn)樣機(jī)中，采用了同向單載波電流控制方法。

4　VIENNA整流器實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在輸入線電壓380 Vac，分別在滿載條件下，三相輸入電壓與對(duì)應(yīng)的A相電流工作波形如圖4所示。從圖中可以看出，輸入電流能夠很好地跟蹤輸入電壓，正弦化較好。功率分析儀測(cè)得PF數(shù)據(jù)顯示，在30%～50%負(fù)載條件下，整機(jī)PF值>0.98，50%～100%負(fù)載條件下，整機(jī)PF值>0.99；在30～100 A負(fù)載條件下，整機(jī)THD≤10%。

VIENNA整流器具有三電平結(jié)構(gòu)，使開關(guān)管只承受一半母線電壓，這樣可以選用耐壓較低的MOSFET作為開關(guān)器件；此外三電平結(jié)構(gòu)有利于減少諧波，實(shí)驗(yàn)波形如圖5所示。

圖4　滿載輸出時(shí)輸入電壓與電流波形

圖5　三電平實(shí)驗(yàn)波形

5　結(jié)　論

VIENNA整流器具有功率因數(shù)高、功率密度高、諧波小和電壓應(yīng)力低等特點(diǎn)。即使電源電路控制失敗也不會(huì)導(dǎo)致短路的直流輸出電壓，可以保證系統(tǒng)的高可靠性。從工程上看VIENNA整流器對(duì)開關(guān)器件要求不高，實(shí)現(xiàn)成本較低。從系統(tǒng)控制上看DSP應(yīng)用使得一些先進(jìn)控制算法和技術(shù)能夠通過軟件方便實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)內(nèi)外通信也變得極為便利，方便實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)智能化。

參考文獻(xiàn)：

[1]Kolar J W , Drofenik U , Zach F C. Current Handling Capability of the Neutral Point fo a Three-Phase/Switch/Level Boost-Type PWM (VIENNA) Rectifier [C]. Proceedings of the 27th IEEE Power Electronics Specialists Conference, Baveno, Italy, June 24-27, 1996:1329-1336.

[2]Drofenik U, Kolar J W. Comparison of Not Synchronized Sawtooth Carrier and Synchronized Triangular Carrier Phase Current Control for the VIENNA Rectifier [J]. Proceedings of the IEEE International Symposium on Industrial Electronics, 1999,(1):13-19.

[3]Kolar J W, Ertl H , Zach F C. Design and Experimental Investigation of a Three-Phase High Power Density High Efficiency Unity Power Factor PWM (VIENNA) Rectifier Employing a Novel Integrated Power Semiconductor Module [C]. Proceedings of the 11th IEEE Applied Power Electronics Conference, San Jose (CA), USA, March 3-7, 1998:514-523.