基于高压直流电源整流与逆变相关技术概述

赵青

摘 要：随着时代进步，直流高压电源已广泛应用于众多行业，并且高压直流电源技术也逐步提高，从工频到高频，从模拟控制电路到数字控制电路，从晶闸管相控拓扑到PWM三电平拓扑及高压开关电源拓扑，因此，其性能也在不断提高。高压直流电源越来越多地被应用，而高压电源技术也在不断更新，但高压开关电源采用高频逆变技术，实现了电源的小型化，但高压高频变压器的设计难题亟待解决。

关键词：高压直流源；逆变；整流

中图分类号：TM46 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）31-0134-02

Abstract： With the progress of the times， high voltage DC power supply has been widely used in many industries， and the technology of high voltage DC power supply has been gradually improved， from power frequency to high frequency， from analog control circuit to digital control circuit， and from thyristor phase-controlled topology to PWM three-level topology and high-voltage switching power supply topology， its performance is also improving. High voltage direct current （HVDC） power supply is more and more used， and the technology of high voltage power supply is being updated constantly. High voltage switching power supply adopts high frequency inverter technology to realize the miniaturization of power supply， though the design problem of high voltage high frequency transformer needs to be solved urgently.

Keywords： high voltage DC source； inverter； rectifier

引言

最早，高压直流电源通常采用工频升压，通过二极管或晶闸管整流而得。它們因电路简单、技术成熟等优点得到应用，但由于其输出电压难以实现快速调节。适用于高压场合的三电平PWM整流电路因为能够实现单位化功率因数、能量双向的流动而得到大力研究。然而开关器件的耐压水平和复杂的控制策略限制了该电路的应用。高压直流电源是采用电力变换技术将配电网提供的交流电变换为实际所需直流的仪器设备。几十年前，最初的高压直流电源仅仅应用于实验研究，历经半个多世纪的发展后，高压直流电源已广泛应用于各行各业，如电气设备耐压试验、医疗设备、冶金、直流馈电等。以往，高压直流电源通常采用工频升压方式，它们因电路简单、技术成熟等优点等到应用。但由于其均工作在工频状态，用来升压和隔离的、体积大而笨重的工频变压器必不可少，同时其网侧功率因数低、电流畸变、输出电压调整时间长，难于实现快速调节，而且输出纹波、电源精度以及稳定性也很难满足现实要求。

1 高压直流电源现状

在电力电子电路中，最早出现的就是整流电路，目的是将交流电能变换为供给直流用电设备的直流电能。高压直流电源的应用领域非常广泛，现在对高压直流主电路原理分析，传统的相控整流电源具有较大的谐波电流，且功率因数低，多电平电压型PWM整流电源开关数量多、控制复杂、应用技术不成熟，而高压开关电源的高频升压变压器设计等难题尚待解决，因此本文创造性地将PWM交流变换电路和12脉波整流电路有机的结合。

2 高压直流电源变换原理

三相电经Buck型PWM交流斩波变换后，通过小容量LC滤波器滤除高频谐波，然后输出交流到整流变压器T的原边。T是连接形式为Δ/Δ/Y的升压变压器，设置合适的变比使得变压器T两阀侧绕组得到大小相等、相位相差30°的高压交流，分别作为两个三相整流桥的网侧输入，这两个整流桥的输出串联，最后滤波输出高压直流。因其技术相对成熟，有比较高的可靠性，同时有稳定的运行环境，只需要用户调节交流PWM变换器的导通占空比，就可以实现变压器原边副边电压的稳定输出，从而达到控制直流输出的目的，目前该系统主要包括AC/AC变换器和12脉

波整流器。

3 PWM交流斩波电路原理

直接AC/AC变换电路，根据所采取控制方式的不同，可分为相控式和斩控式。相控式晶闸管变换电路控制电路简单、功率容量大，但同时存在着不少明显的缺陷，比如动态响应速度较慢、输出电压的低次谐波含量大、功率因数低、电源整体效率不高。与相控电路相比，斩控式交流变换电路则具有更加优良的性能：（1）由于功率因数仅由负载决定，因此功率因数高；（2）输出输人仅含与开关频率相关的高次谐波，故容易滤除，输出波形更加接近正弦波；（3）输出电压随占空比线性调节，变化范围更大；（4）动态响应速度快；（5）工作更高效。因此，自上世界80年代，PWM交流斩波电路被提出，该直接交流变换电路就得到了广泛研究。Buck型电路首先被提出，接着其它各类斩控式拓扑被提出。由于三相交流变换电路原理与单相电路原理有相似之处，因此本节首先讨论Buck型单相PWM交流斩波电路，再讨论三相Buck型变换电路的分析。

4 单相交流变换电路工作原理分析

如图1给出了单相Buck型交流变换电路。该电路由四个全控型电力电子开关器件（一般为IGBT或功率MOSTET），电感L以及输入电容C1、输出电容C2组成。开关Q1、Q2分别在正负半周斩波控制，为输出传递能量，Q3、Q4分别与斩波控制管互补导通，为续流模态时提供通道。各开关的PWM控制信号如图1所示，TS为开关周期，td为互补管Q1和Q3、Q2和Q4的死区时间，D为全控开关Q1、Q2的占空比。

一个开关周期内，电路存在三种不同的运行状态：功率传输模态、死区模态以及续流模态。输入交流电压的极性决定了开关的导通关断方式。当输入电压处在正半周时，功率开关Q2、Q4保持常开，Q1与Q3高频互补导通；反之，当输入电压处于负半周时，Q1、Q3保持常开，Q2、Q4高频互补导通。电路中，电感电流iL流过输入和输出侧，完成能量的交换。图1给出了在输入电压为正情况下，一个开关周期内三种不同模态的电流通道。

（1）功率传输模态：在这个模式下，Q1、Q2开通，Q3、Q4关断。电感电流为正时，电源经Q1和Q2管的旁路二极管为负载供电；电感电流为负时，电流经Q2管和Q1管的旁路二极管连接输入与输出。因此输入电源为负载提供能量。（2）续流模式：该模式下，Q1关断，Q3导通，因此电感电流不论为正或负，都能经Q3、Q4及其旁路二极管形成回路，此时电流仅流过输出侧。（3）死区模式：为了避免非理想开关的电流尖峰和感性负载引起的电压尖峰，必须设置死区，且保证电流通道。该模式内，Q1和Q3都关断，Q2和Q4的导通保证了死区时的电流通道。电感电流为正时，Q3管的旁路二极管和Q4管为其提供了流通回路；电流为负时，电流流过Q1管的旁路二极管、电源和Q2构成回路。这样，总是存在一个电感电流的续流通道，保证了电路的可靠运行。

5 PID控制原理

PID控制器从问世至今已有70年的历史，作为一种线性调节器而应用十分广泛。它通过将参考与实际输出值相减形成的误差信号的比例、积分和微分线性组合，构成控制量，从而控制被控对象，所以称为PID控制器。PID控制器三个校正环节的功能各不相同，参数的改变将从不同方面影响控制器的性能。

（1）比例环节即对误差信号的比例放大或缩小，只要误差存在，它就能立即发挥作用，调节控制器的输出，使被控量朝着减小偏差的方向变化，而比例系数的取值决定了误差减小的速度。（2）积分环节始终施加指向给定值的作用力，因此能够消除系统的稳态误差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数的大小，时间常数越大，，积分作用越弱，反之亦然。增大积分时间常数会减缓消除静差的过程，但可减少超调，提高系统稳定性。（3）微分环节能反映偏差信号的变化趋势，由于误差调节过程中系统可能会出现震荡甚至不稳定，因此，微分项能根据偏差信号的变化趋势，引入一个修正信号，从而减小超调和震荡，从而减小调节时间，加快系统的响应速度，改善系统的动态性能。

由于数字控制不能直接采用连续的模拟量，只能根据采样时刻的实际量来计算偏差值和控制量，而不能直接使用积分和微分环节，因此必须进行离散化等效处理。按照经典PID控制算法的計算表达式，用一系列的采样时刻点代表连续时间，以不断累加的和式代替积分，以增量代替微分，如此近似变换后则可实现PID控制的离散化，用于数字控制系统。由于本文中负载变化不经常，因此采用了常用的PI电压闭环控制。

6 结束语

对现有高压直流电源拓扑进行研究，包括不可控和相控整流电路、PWM三电平整流和高压开关电源结构，它们各自的优势和缺点。其中最早出现的不可控或相控整流结构简单，但输入和输出谐波含量大，功率因数低；而PWM三电平整流电路输入输出波形优良，可以实现功率因数校正，是目前研究热点，但结构复杂，控制繁琐；高压开关电源拓扑也是得到广泛研究，其工作频率的提高能缩小整个系统体积和重量，但高频高压变压器的设计为该方案提出了新的难题。

参考文献：

[1]陈鹏，李晓帆，宫力，等.一种带辅助电路的12脉波整流电路[J].中国电机工程学报，2006，26（23）：163-166.

[2]成兰仙，权运良.大功率三相PWM整流器的研究与实现[J].电力电子技术，2013，47（8）：35-37.

[3]张婷婷，袁庆庆，伍小杰，等.大功率三电平PWM整流控制系统研究[J].电气传动，2013，43（6）：64-67.

[4]武志贤，蔡丽娟，汤酋元.三相高功率因数整流器的研究现状及展望[J].电气传动，2002，35（2）：3-7.

[5]葛新文，刘稳，杜清潭.三电平PWM整流器直接功率控制[J].电力电子技术，2013，47（10）：7-9.