三相三开关降压型PWM整流器的研究

段恋鸿 张代润 黄 钰

（四川大学电气信息学院，成都 610065）

三相三开关降压型PWM整流器的研究

段恋鸿 张代润 黄 钰

（四川大学电气信息学院，成都 610065）

本文提出了一种基于脉冲宽度调制技术的新型三相三开关降压型整流器。通过在传统三相桥式不可控整流电路各桥臂添加可控开关，实现了对各个桥臂的主动控制，根据开关管功率损耗和交流侧谐波电流的分析，得到了一种最小功率损耗的调制方式。该电路拓扑具有结构简单、可控开关管数目少、控制方便等特点，可实现从交流到直流的整流降压功能，同时具有网侧电流畸变率低、直流输出电压稳定等优点。最后通过仿真验证了理论分析的正确性，证明此种电路拓扑的良好特性，具有很好的应用前景。

电力电子；整流器；脉冲宽度调制；三开关；降压型

随着电力电子技术的广泛应用以及各行业对电能质量要求的提高，许多行业的用电设备（如通信电源、变频调速器、电弧焊电源等）都不是直接使用公共电网提供的交流电[1]，而是对其通过各种形式进行变换得到各自所需要的电能，这其中就包含将交流电变换成直流电的整流电路。当整流负载容量较大，或者对直流侧电压脉动要求较小时，宜采用三相整流电路。

图1 三相桥式不可控整流拓扑结构图

在三相整流电路中，三相桥式不可控整流电路如图1所示，因其结构简单、无可控开关元件、成本较低、无需控制等优点，曾应用于对电能质量要求不高的场合，但存在不可控整流的输出直流电压脉动较大、交流侧谐波畸变率大的缺点，已经不适用于对电能质量要求越来越严格的今天。而三相桥式全控整流电路因其具有直流输出电压脉动很小、输出电压可控、交流侧谐波畸变率小等优点，成为现在应用最为广泛的三相桥式全控电路[2]。它包括电压型和电流型两种全控电路。电压型全控整流电路通过电容储能，可实现升压功能；而电流型全控整流电路通过电感储能，可实现降压功能。但因其直流侧储能电感大、交流侧电流畸变振荡和三值逻辑的复杂问题，导致控制复杂，在实际应用中遇到很多困难[3]。

以上无论是何种整流电路，不是输出电压波动较大、交流侧电流谐波大等电能质量问题，就是所用电力电子器件多、控制复杂等问题。我们希望有这样一种的整流电路：电路结构简单，所用可控开关数目少，控制方便，具有网侧正弦电流，单位功率因数，可降压，输出电压脉动小[4]。为了得到设想的整流电路，本文研究了一种基于脉宽调制技术的三相三开关降压型整流器，它可以很好解决这些问题。

1 新型三相三开关PWM整流器拓扑结构

本文通过在传统三相桥式不可控整流电路各桥臂添加可控开关管，另外增加两个快速恢复二极管构成一个可控单元，由3个可控单元组合可构成三相三开关整流器拓扑结构如图2所示。该结构包含3个可控开关，并且具有Buck型结构，可通过控制3个开关管即可实现降压、抑制谐波以及提高功率因数的目的[5]。

图2 三相三开关降压型整流器拓扑结构图

2 新型三相三开关PWM整流器工作原理

根据三相线电压的瞬时值关系可将一个工频周期分为12个区间，如图3所示。在每一个区间，电流流经电压瞬时值最大和最小的两相，电压瞬时值居中的相所对应的开关处于直通状态，另外两个开关通过高频斩波信号处于高速通断状态[6]。图 3阴影部分是本文研究的一个区，在这个区域内电网相电压

图3 电网电压被划分为12个区

为了描述开关管Si，i=R,S,T的开关状态，令s=0为开关管断开，s=1为开关管导通。降压型开关状态可以用来代表，在阴影部分的各开关状态如图4所示。

图4 三相三开关整流电路开关导通状态

当si=1，i=R,S,T时，桥臂i对应于传统二极管整流电路的一个桥臂，因此可以很容易得到不同开关状态下的电流路径。例如，当sR=0、sS=1、sT=1时，这时在S相得到一个正极电流+I，在 T相得到负极电流-I。如果所有的开关管Si，i=R,S,T都导通，即j=(1 1 1)，此时的系统就等效为三相桥式不可控电路。由于所以得到由于输入相电流特性相同，所以开关状态j=(1 0 1)或j=(1 1 1)都可以获得。同理，可以分析其他几种开关状态和输出电流的关系。

3 开关状态顺序的确定及开关损耗的计算

3.1 确定开关状态顺序

通常来讲，一个好的开关顺序应该尽量使功率开关在切换过程中的功率损耗最小，如果不考虑这个因素，那么就有很多种有效开关顺序，见表1。

表1 有效开关顺序

在表 1中，开关状态既可以是对称的（见表 1序列1.x和2.x），也可以不对称（见表1序列3.1）。另外，续流状态既可以被放在中间（如序列 2.x），也可以被放在末尾（如序列1.x）。在π/3的区间内，有一个功率开关管是被钳位的（序列1.1，1.2，2.1，3.1）或者让开关状态j=(0 0 0)作为续流状态（序列1.3，2.2）。如果只考虑开关切换的数目，以上开关状态顺序之间就没有什么不同，但就开关损耗而言，它们之间则有很大差别。

3.2 计算开关损耗

为了简便，假设：①开关能量损耗w与开关电压u(t)成比例关系，比例系数为k；②开关电流I为常数。因此，可以计算功率开关Si从导通到关断过程中的能量损耗，即

同样，可以得到功率开关从关断到导通过程中的能量损耗，即

那么，就可以计算出在工频周期TN期间所有功率开关的能量损耗的平均值，即

举例表1的序列1.1，从开关状态j=(1 1 1)到开关状态j=(1 1 0)，功率开关ST在电压为uCF,ST时关断，在下一个切换过程j=(1 1 0)到j=(1 0 0)时，功率开Ss关在电压为uCF,RS时关断；在下一个半周期，功率开关ST和Ss以刚才的电压导通，只不过顺序不同。假设比例系数，则可以得到以上开关状态顺序的能量损耗为

根据式（5），可以得到在一个工频周期内所有开关管功率损耗的平均值，即

同样，根据表1中其他开关状态顺序的功率损耗，可以类似的求出各开关序列的功率损耗平均值，见表2。

表2 各开关序列的功率损耗平均值

从表2可以看出，1.x的开关系列开关损耗最小，即将带有续流状态放在首端或者末尾的开关顺序比其他开关系列具有更好的优势。

4 控制策略

本文系统采用双闭环控制方式，将电压外环将采样的直流输出电压与给定值uref进行比较，以达到稳定输出电压的目的，然后将它们的差值经PI调制过后作为电流内环的给定值与采样的输出电流dci作比较，再经过PI调制与相位逻辑单元和三角载波共同作用得到PWM波形，最后通过逻辑单元分配给3个开关，通过电流内环控制可以使交流侧电流正弦化[7]。由于上述两个环都是对直流量进行控制，省去了传统三相电压型、电流型整流器为控制直流量而进行的 dq变换环节，因此该控制方式简单，响应速度快，易于实现。三相三开关整流电路控制框图如图5所示。

图5 三相三开关整流电路控制框图

5 仿真及仿真波形分析

为了验证本文方案的可行性，使用Matlab仿真软件对其进行仿真，所用参数见表3。

表3 三相三开关PWM整流器系统仿真参数

通过仿真可以看出，图6所示的网侧R相输入电流呈现正弦化，谐波畸变率小于国家标准5%；图7所示的直流侧输出电流脉动小，具有很快的响应速度，在0.003s即可达到稳定状态；图8所示的系统的功率因数可达到0.994。

图6 网侧R相输入电压电流波形图

图7 直流侧输出电流波形图

图8 网侧功率因素

6 结论

本文通过对传统三相桥式不可控整流电路各桥臂添加可控开关，以及对开关管功率损耗和交流侧谐波电流的分析，得到了一种最小功率损耗的调制方式，并通过对系统以及仿真结果的分析，验证了本文方案的可行性，得出结论：三相三开关整流器比电流型整流器具有结构简单、控制方便、易于实现的优点，可以达到交流侧电流正弦化、高功率因数和快速响应的目的。因此，该整流器在大功率降压型应用场合具有很强的竞争优势和很好的应用前景。

[1]冯垛生.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社,2008.

[2]张崇巍,张兴.PWM整流器及其控制[M].北京：机械工业出版社,2003.

[3]责洪奇,张继红,刘桂花,等.开关电源中的有源功率因数校正技术[M].北京：机械工业出版社,2010.

[4]J W Kolar HE,Zach FC.A comprehensive design approach for a three-phase high-frequency singleswitch discontinuous- mode boost power factor corrector based on analytically derived normalized converter component ratings[J].May/Jun,1995,31(3)：569-582.

[5]Kolar J W,Zach F C.A novel three-phase three switch three level unity power factor rectifier[C]//in Proc.28th Int.Power Conv.Conf.,Nuremberg,Germany,1994(6)：125-138.

[6]Nussbaumer T,Kolar J W.Advanced modulation scheme for three-phase three-switch buck-type PWM rectifier preventing mains current distortion originating from siding input filter capacitor voltage intersections," in Proc.

[7]34th IEEE Power Election.Spec.Conf.,Acapulco,Mexico,2003,6(3)：1086-1091.

[8]汪万伟,尹华杰,管霖.双闭环矢量控制的电压型PWM 整流器参数整定[J].电工技术学报,2010,25(2)：67-72,79.

Research of a Three-phase Three-Switch Buck-Type PWM Rectifier

Duan Lianhong Zhang Dairun Huang Yu
(School of Electrical Engineering and Information,Sichuan University,Chengdu 610065)

A novel three-phase three-switch buck-type rectifier based on pulse width modulation technology.The rectifier has realized the active control of each bridge arm by adding controllable switch in each bridge arm of the traditional three-phase bridge uncontrolled rectifier circuit,according to the switch tube power loss and the analysis of the ac side’s harmonic current,a modulation method based on minimum power loss is presented.The circuit topology has the advantages of simple structure,less number of controllable switch tube,and easy control,which can realize the function from ac to dc buck rectification,the circuit topology also has a lot of satisfactory characteristics such as small aberration rate of ac side’s current and stable dc output voltage etc.Finally,the correctness of the theoretical analysis is verified by simulation,and it is obvious that the circuit topology with satisfactory characteristics will be wide use in the foreseeable future.

power electronics；rectifier；pulse width modulation(PWM)；three-switch；buck- type

段恋鸿（1988-），男，硕士研究生，主要研究方向为电能质量控制技术。