一种基于电流滞环控制的Vienna型PFC整流器

杨世凯，刘小娟，程俊翔，程鹏，章晋

(1.三峡大学 电气与新能源学院，湖北　宜昌　443002; 2.甘肃省电力公司检修公司酒泉分部，甘肃　酒泉　735000)



一种基于电流滞环控制的Vienna型PFC整流器

杨世凯1，刘小娟1，程俊翔1，程鹏1，章晋2

(1.三峡大学 电气与新能源学院，湖北宜昌443002; 2.甘肃省电力公司检修公司酒泉分部，甘肃酒泉735000)

大型工业设备需要的稳压器和大型变压器具有体积大，控制复杂等特点。分析Vienna整流电路的原理，提出了一种基于电流滞环控制的Vienna型PFC整流电路。在MatlabSimulink上搭建平台进行仿真，结果表明基于电流滞环控制的Vienna整流电路控制简单，稳定性好，功率因数校正效果好。在此基础上，搭建了一台 Vienna 整流器样机，实验结果验证了该方案是可行的。

Vienna整流电路；电流滞环控制；功率因数校正

1　引言

随着电力电子技术的发展，特别是功率半导体器件以及控制技术的飞速发展，电力电子装置越来越多地应用于工矿企业，其在提高生产效率和产品质量等方面起着重要作用。但是由于其强非线性的特点对电网注入大量的谐波和无功功率，造成严重的电网“污染”。因此研究具有高功率因数PWM整流装置成为电力电子应用领域的一个重大研究课题[1-2]。而在三相整流器的拓扑结构中，Vienna整流器作为一种典型的三电平拓扑[3-5]，适合用于高电压，大功率的领域，与传统的两电平结构相比降低了开关管的电压应力和交流侧的谐波含量，避免上下桥臂直通，简化控制环节等特点，因此对Vienna整流器控制技术进行研究具有很大价值。而电流滞环控制因其控制简单、响应快广泛用于 PWM 整流器等功率因数校正电路中[6-7]。本文研究了一种基于电流滞环控制的Vienna型PFC整流电路，MatlabSimulink仿真和实验结果证明了该控制策略的有效性。

2　Vienna型PFC整流电路的工作原理

2.1单相Vienna整流器的工作原理

如图1为单相Vienna型PFC整流器的电路拓扑结构图。图中ua为单相交流电源；La为输入升压电感；Dax(x=1、2、3、4、5、6)为快恢复二极管；在图1所示的结构图中，开关器件Sa为绝缘栅双极晶体管，输出侧的稳压滤波电容用C1、C2表示，R代表的是直流侧负载。如图所示，当全控型开关管Sa关断，如果ia的方向为正方向，那么ia流经的路线为图2(a)所示，如果ia的方向为反方向，那么电流ia流经的路线为图2(b)所示。

图1　单相Vienna型整流电路的拓扑结构

图2　开关Sa关断时的电流流经路线

当全控型开关管Sa导通时，如果ia的方向为正方向，那么ia流经的路线如图3(a)所示；如果ia的方向为反方向，那么电流ia流经的路线如图3(b)所示。

根据上面的分析，全控型开关器件Sa和Dax(x=1、2、3、4)等快恢复二极管一起构成了一个可以实现电流双方向流动的可控开关[8]，这个双向交流开关连接A点和M点。根据电路的工作状态，可以把单相Vienna整流电路等效如图4电路，简化后的单相Vienna整流电路的等效电路拓扑可以看作是正Boost电路和负Boost电路的并联而成的双极性Boost电路。

图3　开关Sa处于导通状态时的电流流经路线

图4　单相Vienna整流电路的等效电路图

2.2三相Vienna整流器的工作原理

把三个单相Vienna整流电路连接起来，就构成了图5所示教授J.W.Kolar 提出的三相Vienna电路。

图5　三相Vienna 整流电路拓扑图

如图5所示的三相Vienna整流电路，该整流电路的每一相开关都采用4个快恢复二极管和一个全控型的开关管组成。根据单相Vienna的等效原则，把上述三相Vienna整流电路拓扑等效为图6。

图6　三相Vienna电路等效原理图

分析三相电路进行开关状态和电路工作原理[9]，有方程(1)：

(1)

其中，Si(i=a，b，c)为双向开关，Uc1，Uc2为电容C1，C2电压，Uc1=Uc2=Udc/2，Udc为直流母线电压；uio=(1-si)sign(ii)Udc/2；Si开通时，Si=1,Si关断时，Si=0；ii>0时，sign(ii)i=1，ii<0时，sign(ii)i=-1。具体工作过程如下：

(1)ia为正(电流方向从左到右)时的工作状态：

当全控型开关管Sa处于导通状态时，F点的电位被并联的二极管Da1、Da5强行钳位至电容中点M，输入侧电流ia流经的途径如图7(a)所示，该过程中ia>0,并且不断地增大,电感存储电能,此时uLa=ua，F点相对电容中点电位为0；当全控型开关管Sa处于关断状态时，输入侧电流ia的流经的途径如图7(b)所示，对电容C1进行充电，此时F点相对电容中点电位为Udc/2。

图7　相电流为正时，a相工作原理图

(2)ia为负(电流方向由右向左)时的工作状态：

当全控型主功率开关管Sa处于导通状态时，F点的电位同样被钳位至电容中点O，输入侧电流ia流经的途径如图8(a)所示，该过程中ia<0,并且不断地增大,电感存储电能,此时uLa=ua<0，F点相对电容中点电位为0；当全控型开关管Sa处于关断状态时，输入侧电流ia的流经的途径如图8(b)所示，对电容C2进行放电，F点相对电容中点电位为-Ud/2。

图8　相电流为负时，a相工作原理图

在电路中，每相桥臂功率开关器件都有关断和开通两种模式[9]，三相Vienna整流器共有23=8 种开关模式。在一个周期中任选其中的某一时刻进行分析电路的工作状态(以0≤ωt≤π/6为例)，如图9(a)～(h)所示，分别介绍这8种开关模式所对应的电路工作状态[10]。

可以看出线电压VAB的电势有4种：V0，Vdc/2，-Vdc/2，0，其绝对值有Vdc，Vdc/2，0三种，构成了三电平输出。

3　Vienna整流器电流滞环控制策略

电流滞环控制是一种使得整流器输入电流跟随输入电压的波形变化，实现功率因数单位化的方式。它比较交流电流和输入侧的交流电压波形，改变整流器中主开关管的状态，把输入电流和电压的相位偏差控制在一定范围内，从而达到实现功率因数校正的目的[11]。

图9　10Vienna电路的八种工作状态图

图10　电流滞环控制的原理图

电流滞环控制的原理图如图10所示，设定最大电流偏差为Δimax，2Δimax代表滞环比较器的环宽。参考电流的下限为is-Δimax，参考电流的上限为is+Δimax。当系统运行稳定时，实际输入相电流经过霍尔元件或者电流采集电路采集之后和参考电流相比较，如果超过参考电流iref，并且差值达到或者是超过Δimax时，滞环比较器的输出改变原来的触发信号使该相上对应的开关管关断，实际相电流开始减小，实现对参考信号的跟踪；同理，当实际检测到的输入相电流is比参考电流iref小，并且差值达到或者是超过Δimax时，滞环比较器的输出改变原来的触发信号使该相对应的开关管开通，电流再逐渐增大，实现对参考电流信号的跟踪。

3.1电流滞环控制算法

式(2)～(4)所示为滞环控制方法的数学表达式：

指令电流：i*=Imsin(ωt)

(2)

滞环上限：iup=i*+Δimax

(3)

滞环下限：ilow=i*-Δimax

(4)

其中Im为电流参考值的最大值，Δimax为滞环半宽。

滞环控制的频率最大值计算根据公式(5)：

(5)

滞环控制的平均开关频率值计算根据公式(6)：

(6)

3.2电流滞环控制实现

图11为系统滞环电流控制的电路原理图。电流滞环控制同时兼有两种功能：(1)作为电流调节器；(2)作为PWM调节器。电流滞环控制检测的是三相电感的电流，它不需要外加调制信号，在控制部分电路中设一个滞环逻辑控制器控制LD，电流环的滞环环宽取与瞬时平均电流成比例的值。

图11　三相Vienna型PFC整流器的闭环电流滞环控制图

4　Vienna型PFC整流器的仿真和实验

4.1闭环控制仿真

查阅文献，采用式(7)、(8)来确定三相Vienna整流器的三相升压电感的电感和电容范围：

(7)

(8)

式中uac取最大值220V，uo取400V，fωt取最小值20kHz，Po取40kW，η取0.95，求得L=0.48mH。

Idc为额定输出电流，f取50Hz，Vo取20V，求得C=1666μF。

基于上述理论，在MatlabSimulink上搭建仿真平台，并对其进行仿真。系统仿真模型如图12所示，仿真模型的参数设置交流相电压幅值311V，输入侧电感La=Lb=Lc=0.5mH，直流侧母线最大参考电压为4000V，直流侧负载R=400Ω，直流侧电容C1=C2=2200μF，开关频率取20kHz。图13为滞环控制电路仿真模型。

图12　Vienna整流器系统仿真模型

图13　滞环控制电路仿真模型

图14　给定输出电压值4000V时调控相电压、相电流、输出电压波形图

图15　给定4000V输出电压时开关管的电压应力波形图

如图14、15所示，从图中可以看出相输入电流是和输入电压同相位的正弦波，电压电流间相位角差值较小，交流谐波含量较少，功率因数校正效果较好。三相中的绝缘栅双极晶体管电压应力为输出电压的一半，大大降低了开关管的损耗，电流谐波总含量THD为4.5%。

4.2实验验证

为验证方案的可行性，搭建了Vienna 整流器实验电路对提出的方案进行验证。设定三相输入电压为311V，输入侧滤波电容为型号为MPX275～X2的2.2μF电容，电感为0.5mH，整流桥快恢复二极管型号为FR307，开关管型号为FF200R33KF2C的绝缘栅双极晶体管，直流侧电容为2200μF，负载电阻为400Ω电炉丝。

图16所示为三相Vienna整流器样机的电压电流实验波形对比图，其中红色代表的是其中一相相电压的波形，黄色代表的是对应相电感的电流波形。从图中可以看到电流和电压在相位上几乎没有相位差，并且电流波形也没有大的尖峰出现，电流谐波也比较少，和系统仿真结果一致。图17所示为给定4000V稳压输出时的输出侧直流电压波形，可以看出直流侧的实际输出电压的稳定运行性很好。

图16　相电压及相电流的实验波形

图17　直流电压跟随波形

5　结论

通过对Vienna 电路的原理和电流滞环控制策略的分析，给出了基于电流滞环控制的Vienna型PFC整流电路。通过仿真和实验验证了方案的可行性，电流动态跟踪响应速度较快、无超调发生，电路功率因数校正效果好。

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A PFC Rectifier of Vienna Based on Hysteresis Current Control

YANGShi-kai1,LIUXiao-juan1,CHENGJun-xiang1,CHENGPeng1,ZHANGJin2

(1.College of Electrical Engineering and New Energy China Three Gorges University,Yichang 443002,China;2.Jiuquan Branch,Maintenance Company,Gansu Electric Power Company,Jiuquan 735000,China)

Large industrial equipment required voltage regulators and large transformers，they have the features of large volume and complex control.Analysis of principle of Vienna rectifier circuit,a Vienna-type PFC rectifier circuit based on the current hysteresis control was proposed.A platform for simulation in MatlabSimulink was built,the results show that rectifier circuit of Vienna based on hysteresis current controlis simple,good stability,good power factor correction.On this basis,a prototype of Vienna rectifier isconstructed,and experimental results show that the proposedprogram is feasible.

Vienna rectifier circuit;hysteresis current control;power factor correction

1004-289X(2016)02-0019-07

新能源微电网湖北省协同创新中心(三峡大学)

TM461

B

2015-06-04

杨世凯(1989-)男，硕士研究生。研究方向为新能源发电技术。