一种抑制Swiss 整流器低频管启动电流的控制策略

2024-04-07王永生陆杨军

通信电源技术 2024年2期

王永生，陆杨军

（上海杰瑞兆新信息科技有限公司，江苏南京 210000）

0 引言

目前，在三相大功率用电设备、电动汽车充电桩等领域，为满足电网相关法规要求，交流/直流（Alternating Current/Direct Current，AC/DC）转换环节均须配备功率因数校正（Power Factor Correction，PFC）设备。传统的不控整流虽然成本低，结构简单，但会产生大量谐波，且功率因数低。随着社会的发展，具有效率高、谐波含量低等特点的PFC 设备将获得广泛应用。

传统的电流型整流器多采用六开关降压拓扑，控制较为复杂[1]。Swiss 整流器作为一种新式降压型整流器，具备结构简单、效率高、电流畸变率低等优点[2]。文献[3]对Swiss 整流器用于电动汽车充电桩进行了研究，介绍了一种新型的LC 滤波阻尼控制方法。文献[4]对不同调制策略下六开关Buck 整流器和Swiss 整流器进行了综合比较，评估了矢量调制和载波调制条件下各自拓扑的损耗、电流质量、效率等指标。文献[5]提出了一种换相区边界电流畸变的抑制措施。国内外论文介绍了三次谐波注入网络低频管的控制方法，但没有给出启动策略。

文章介绍Swiss 整流器的基本原理和控制策略，针对实际应用中非优化策略下三次谐波注入网络（低频管）启动冲击电流大的问题，提出一种基于电网电压瞬时值的优化启动控制策略，以抑制冲击电流，并搭建了系统样机进行试验验证。

1 Swiss 整流器电路结构与原理

Swiss 整流器的拓扑结构如图1 所示，包括网侧滤波电感LF、滤波电容CF、三相整流桥、功率开关、直流侧电感以及直流侧电容等。其中，功率开关部分由三相低频管和正负母线Buck 拓扑组成。三相电网的相电压分别用为eA、eB、eC表示。

图1 Swiss 整流器拓扑

一个电网周期的三相电网电压波形图及电网电压合成矢量图如图2 所示[6]。低频管Sa、Sb、Sc的调制策略如表1 所示，表中1 表示该低频管处于导通状态，0 表示关断状态。低频管调制策略的主要作用是补偿网侧电流死区，且周期内任意时刻都只有一相导通。

表1 低频管调制策略

图2 三相电网电压波形图及电网电压合成矢量图

以电网电压的0 ～30°相位为例，根据图1 中QH、QL的开关状态，可以分为（ON，ON）、（ON，OFF）、（OFF，ON）、（OFF，OFF）共4 种组合，其中ON 表示导通，OFF 表示关断。每个模态下的电流矢量为

式中：itotal为合成电流矢量；ia、ib、ic为三相电流；IDC为直流侧电流。合理分配式（2）～式（5）中4 个基础电流矢量的作用时间，可以控制合成电流矢量itotal，实现高功率因数[7]。

2 低频管冲击电流产生机理及抑制策略

针对5 kW 的实际使用需求，考虑电磁兼容、总谐波失真（Total Harmonic Distortion，THD）和功率因数等因素，对Swiss 整流器主电路进行了详细设计。Swiss 整流器启动过程采用低频管先启动、Buck 拓扑再启动的模式。

以电网电压的0 ～30°相位为例，低频管启动前后的电路模态如图3 所示，考虑实际工程应用中的电磁兼容及性能要求，主拓扑电路加入输入滤波电容、滤波电感和直流侧高频滤波电容。

图3 低频管启动前后的电路模态

图3（a）为低频管启动前的电路模态，此时高频管QH、QL处于关断状态。稳态条件下忽略电感和二极管压降，直流侧的滤波电容电压为

式中：max()为取最大值函数；min()为取最小值函数。图3（b）为低频管启动后的电路模态，此时高频管QH、QL处于关断状态，Sb=1。稳态条件下忽略电感和二极管压降，直流侧滤波电容电压为

式中：mid()为取中值函数。

电网电压在有效值为220 V、频率为50 Hz 条件下式（6）和式（7）的图形如图4 所示。由图4 可见，在电网电压相位为时进行低频管启动，直流侧高频滤波电容电压不会发生突变，在其他相位条件下启动低频管，直流侧高频滤波电容电压压差较大且电路中阻抗较小，故浪涌冲击电流较大，极有可能损坏低频管器件。其中，在电网电压相位为时，直流侧高频滤波电容电压压差最大。

图4 低频管启动前后直流侧滤波电容的电压波形

3 实验

为验证理论分析的正确性和措施的有效性，采用一台5 kW 的Swiss 整流器进行验证，TMS320F28069型数字信号处理器作为主控制器。采用抑制策略前后的冲击电流波形图如图5 所示。图5（a）为未采用抑制策略的低频管冲击电流波形，可见低频管导通瞬间，流过的电流急剧增大，峰值达到57 A，振荡结束后恢复为0。图5（b）为采用抑制策略后的低频管冲击电流波形，可见低频管在相电压过零点处导通，且导通瞬间流过电流，峰值达到7 A，振荡结束后恢复为0。