基于VIENNA拓扑的数字化三相三电平整流器

阮景义

(中兴通讯股份有限公司，广东 深圳 518055)

0　引　言

VIENNA整流器是三相三电平PFC电路，可应用于通信电源、不间断电源、交流传动系统及特种电源中。VIENNA整流器具有多种优点：功率因数高，不需要中线、无三次谐波，开关管电压应力小，具有高功率体积比或高功率质量比，不存在开关直通问题，数字化控制技术使得整流器的调测和维护更加便捷。

1　VIENNA整流器解决方案

VIENNA整流器采用三相无中线输入方式，控制单元采用数字化控制技术，总体解决方案如图1所示。DSP控制器实现对输入电压、输入电流、输出电压以及温度等信号的检测，并根据检测到的数据发送PWM波和各种保护信号，实现对功率电路的控制和保护。由于三相电流满足ia+ib+ic=0，因此只需要检测两相电流，在程序中通过换算实现对第三相电流的采样，即ic=-ia-ib，这样既可以节约材料成本，又避免因采样自身误差而导致ia+ib+ic≠0。

2　VIENNA整流器工作模态

VIENNA整流器在一个工频周期中有48个工作模态，为方便讲述，以三相PFC电路工作于图2中[t1，t2]时段为例说明VIENNA整流器工作模态。

工作模态1：S1、S2、S3开通，电压vAO=0,vBO=0,vCO=0，C1、C2通过直流侧负载放电。

工作模态2：S1和S2开通、S3关断，电压vAO=0,vBO=0,vCO=-vd/2，C1通过直流侧负载放电，正向电流对电容C2充电。

图1　VIENNA整流器总体解决方案

图2　三相拓扑结构及相电压示意图

工作模态3：S1和S3开通、S2关断，电压vAO=0,vBO=-vd/2,vCO=0，C1通过直流侧负载放电，正向电流对电容C2充电。

工作模态4：S1开通，S2和S3关断，电压vAO=0,vBO=-vd/2,vCO=-vd/2，C1通过直流侧负载放电，正向电流对电容C2充电。

工作模态5：S1关断，S2和S3开通，电压vAO=vd/2,vBO=0,vCO=0，正向电流对电容C1充电，C2通过直流侧负载放电。

工作模态6：S1和S3关断，S2开通，电压vAO=vd/2,vBO=0,vCO=-vd/2，正向电流对电容 C1充电，C2通过直流侧负载放电。

工作模态7：S1和S2关断，S3开通，电压vAO=vd/2,vBO=-vd/2,vCO=0，正向电流对电容C1充电，C2通过直流侧负载放电。

工作模态8：S1、S2、S3关断，电压vAO=vd/2,vBO=-vd/2,vCO=-vd/2，正向电流对电容 C1及C2充电。

由上可知工作中产生四个电平：vd，vd/2，-vd/2，0，其绝对值是三个，即vd，vd/2，0，组成了三电平。

3　VIENNA整流器控制策略

VIENNA整流器的控制如图3所示，整流器的控制策略包括三相数字锁相环SPLL、电压环控制、中点平衡控制和电流环控制等。

图3　VIENNA整流器控制原理的基本框图

(1) 三相数字锁相环SPLL：锁相环作为PFC控制的一个重要组成部分，其主要作用为无中线系统提供标准的正弦电流参考，以及生成电流控制的调制波信号。

(2)中点平衡控制：平衡状态时Uca=Ucb=Udc/2，若出现中点不平衡会将无法得到标准的输入三电平电压，影响THD；而且过大的偏压，会造成电容和MOS管的损坏。平衡状态时，Uca=Ucb=Udc/2，设电容偏差ΔUM=Uca-Ucb，令INPC=Km[Uca-Ucb]。

(3)电压环控制：在单一电压环PI控制器中，电压环输出中含有明显的谐波成分，为减小这种谐波成分，可对检测到的电压信号求平均值进行滤波。

(4)电流环控制：PFC控制策略的演变主要以电流控制方式展开，电流环滞环控制具有控制方法简单和电流响应速度快的优点，但要求较高的开关频率。鉴于DSP频率和电感体积限制，在实验样机中，采用了同向单载波电流控制方法。

4　VIENNA整流器实验结果

在输入线电压380 Vac，分别在满载条件下，三相输入电压与对应的A相电流工作波形如图4所示。从图中可以看出，输入电流能够很好地跟踪输入电压，正弦化较好。功率分析仪测得PF数据显示，在30%～50%负载条件下，整机PF值>0.98，50%～100%负载条件下，整机PF值>0.99；在30～100 A负载条件下，整机THD≤10%。

VIENNA整流器具有三电平结构，使开关管只承受一半母线电压，这样可以选用耐压较低的MOSFET作为开关器件；此外三电平结构有利于减少谐波，实验波形如图5所示。

图4　满载输出时输入电压与电流波形

图5　三电平实验波形

5　结　论

VIENNA整流器具有功率因数高、功率密度高、谐波小和电压应力低等特点。即使电源电路控制失败也不会导致短路的直流输出电压，可以保证系统的高可靠性。从工程上看VIENNA整流器对开关器件要求不高，实现成本较低。从系统控制上看DSP应用使得一些先进控制算法和技术能够通过软件方便实现，系统内外通信也变得极为便利，方便实现系统智能化。

参考文献：

[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.