級聯式整流器控制器的設計與仿真

閆一瑋，丁冠華，柴煜淞，戴俊彥，程 紅

（中國礦業大學（北京），北京 100080）

0 引 言

當今社會能源技術亟待變革。據統計，中國的能源效率比國際先進水平要低很多，但是單位能源產品耗能卻比國際先進水平高45%以上，因此節能降損已成為主流問題，也越來越受到重視[1]。

目前，工業上節能降損主要用的是變頻技術，其中使用較多的是大功率全控型級聯H橋多電平整流器，可完成高壓大功率的雙向變換。然而，這類整流器也有明顯的不足。有必要研究新型能量單向傳輸的級聯式整流器電路拓撲，以達到減少變換器中全控型開關數量的目的。對于只需能量單向傳輸的系統，可以用無橋整流模塊來代替全橋整流模塊。無橋模塊相對于全橋，開關管數量減少了一半，控制和驅動電路相對簡單，開關損耗低，系統效率相對較高[2]。實際工業上要求變頻調速系統整流環節網側電流正弦化，且運行于單位功率因數[3]。

1 系統整體概述

本文研究的級聯式無橋整流器是一種AC-DC電力電子變換器，實現把交流電變為直流電的整流功能，應用在電力電子變壓器中。

本文以3個單相的無橋整流器級聯的拓撲結構為研究對象，包括對其交流側電流電壓的采樣并傳輸到DSP進行控制，實現輸入側功率因數為1，同時也對直流輸出側的電壓進行采樣并傳輸給DSP實施控制，實現3個整流模塊輸出電壓的均衡與穩定。圖1為系統基于模型的設計具體實現示意圖。

2 硬件部分

本文以3個單相無橋整流電路級聯的AC-DC電路為研究對象，對其電路拓撲及工作原理進行描述，并通過一定的理論分析得到該電路的電容、電感等元器件的參數值。

圖1 級聯式無橋整流電路拓撲

2.1 無橋整流電路概述

整流電路是一種典型的電力電子電路，其作用是將交流電變為直流電。隨著新能源發電趨勢的火速發展，電力電子變換器的應用也更加廣泛，越來越多新型高效節能整流器得到推廣和應用[4]。

以單個無橋整流器拓撲為例，闡述該電路工作原理。假設交流側電感足夠大，能夠使電流連續。以圖1的第一個無橋整流器為例，分析該電路的有效工作模態。其中is為交流輸入電流，以從電感左側流至右側為正；Ucon為無橋整流器交流側合成電壓。

穩態時的Ucon由開關狀態決定，首先定義開關函數S為：

定義第n個單相無橋整流模塊的開關函數為Si，則可以得出：Uconi=S·Un。則在圖1所示的3個無橋整流器模塊級聯的電路拓撲中，應用KCL、KVL對該電路建模可得該電路的開關函數數學模型：

由模型可得，該電路通過控制開關函數S控制每個模塊的Ucon，從而可以按照要求控制輸入電流is以及實現對每個模塊輸出電壓Un的均衡控制。

2.2 參數選擇

（1）交流側電感的選擇

該整流電路交流側電感主要作用有如下兩點：第一，濾除交流側電流諧波，實現交流側電流為正弦波電流，通過一定的控制作用能夠實現交流側電流與交流側電壓同相位；第二，由于交流側電感的存在，該系統有了一定的阻尼特性，對系統的穩定性控制非常有利。

首先，從滿足一定的輸出有功功率指標確定電感值的上限[5]：

該式表示在一定的電網電動勢Em、直流側電壓Vdc、功率因數角φ條件下，滿足交流側有功功率指標時的交流側電感上限值。其中p表示該整流器交流側的有功功率。

其次，從滿足交流側電流畸變率指標來確定電感值的下限：

該式表示在滿足網測電流總諧波畸變率THDi≤n%的要求下，得到的電感值的下限值。其中I1為基波電流有效值，Vab（n）為輸出電壓n次諧波有效值。

（2）直流側電容的選擇

該整流電路直流側電容主要作用有如下兩點：第一，對交流側傳遞給直流側的能量起緩沖作用，從而保證直流輸出電壓的穩定；第二，減少直流輸出側的諧波電壓。

首先，從滿足直流側電壓的跟隨指標確定電容值上限：

其中，RLe是直流額定負載電阻，tr*為直流側電壓由初始值躍變到額定值的上升時間設定上限值。

其次，從滿足直流側電壓的抗擾性能指標確定電容值的下限：

其中，RLe是額定負載電阻，ΔVm*是整流器直流側電壓動態降落最大值，ΔVm*=ΔVmax/Vde，Vde是電容電壓初始值。

3 軟件設計

本文將控制算法編寫為C語言代碼，并在CCS（Code Composer Studio）軟件里為本系統建立一個軟件工程，將編寫的基于DSP28335的C語言代碼導入該工程并進行編譯[6]。

本系統的軟件設計主要包括主程序和中斷服務子程序兩部分。主程序主要完成系統初始化的任務；中斷服務子程序在中斷子程序中進行AD采樣和校正，采樣結果包括交流側電壓US，交流側電流IS，直流側電壓Udc。對這3個采樣值處理后進行雙閉環控制。系統不停刷新并執行中斷子程序，實現電流內環快速跟蹤給定，電壓外環穩定輸出的指標，并且實現交流側單位功率因數。

4 仿真電路

本文通過建立級聯式無橋整流器及其控制器的電路仿真模型并進行仿真測試，給出了系統的理論結果。

4.1 仿真電路圖

圖2為主電路拓撲圖，圖3為無橋整流器模塊拓撲圖。

圖2 主電路拓撲圖

4.2 仿真分析

交流輸入電流經過控制之后實現了電流波形為正弦波，并且與輸入側電壓波形同相位，實現了功率因數為1的指標。該電路系統實現了3個級聯模塊的輸出電壓均衡分配，分別為期望輸出電壓的1/3。存在的不足之處是輸出直流電壓存在一定的波動，需要進一步調整參數來獲得更好的電壓波形。

5 樣機實驗驗證

為驗證理論，同時為了驗證該單相級聯式無橋整流器控制方法的可行性，搭建了實物硬件電路。

系統樣機由DSP核心板、電壓電流采集板、整流器主電路板等硬件電路組成，每個模塊經過單板測試后，組裝為一個系統。

圖3 無橋整流器模塊拓撲圖

實驗結果顯示，輸出側直流電壓基本穩定在100 V，且3個模塊輸出電壓均衡分配，交流側電流波形為正弦波；通過交流輸入側電壓電流波形對比可以看出，交流側實現輸入功率因數為1，實現了本實驗所要達到的指標，驗證了電壓電流雙閉環控制的可行性，并且可以看出該控制方法的效果非常不錯，各項指標顯示都很好。

6 結 論

本文介紹了3個單相無橋模塊級聯的整流器的軟硬件工作原理、仿真實驗以及樣機實驗驗證結果。該系統實現了每個整流模塊輸出均衡穩定的直流電壓、交流側電流正弦化以及單位功率因數運行的控制指標。

本文所設計的整流器系統適用于不需要能量雙向流通的風機、泵類系統中，有廣泛的實用價值。本系統還有一些需要提升的地方，可以在提高效率方面做進一步的研究，如果實際生產需要，還可以做更多級的整流器級聯甚至擴展到三相。