王歸新，徐春雷，鮮萬春

（1.三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌443002；2.宜昌市供電公司，湖北 宜昌443002）

1 引言

傳統(tǒng)的三相整流雖然可以滿足系統(tǒng)大功率的需求，但是存在諧波大、功率因數(shù)低等缺點(diǎn)。三相VIENNA型PFC整流器，具有控制簡單、輸入功率因數(shù)高、無諧波污染等優(yōu)點(diǎn)，適合于三相大功率電路，便于工程應(yīng)用中的實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)中采用滯環(huán)控制方法［1－3]，用反饋信號(hào)與正弦采樣信號(hào)組合，再應(yīng)用PWM技術(shù)實(shí)現(xiàn)PFC電路的穩(wěn)壓和電流的正弦化，可使電路在電感電流連續(xù)CCM和臨界連續(xù)BCM模式下工作，簡化了電路，降低制造成本。針對(duì)所作系統(tǒng)進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性和優(yōu)越性。

2 VIENNA電路原理

2.1 原始主電路

如圖1所示的電路三相三開關(guān)三電平整流電路［2]，開關(guān)采用4個(gè)二極管和一個(gè)全控型MOSFET管組成。根據(jù)電路的對(duì)稱性可以知道電容中點(diǎn)電位與電網(wǎng)中點(diǎn)的電位近似相同。

當(dāng)A相開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，E點(diǎn)F點(diǎn)電位相等，UFH＝UDC則 UGH＝0.5UFH＝0.5UDC，又 UEH＝UDC，又 UEM＝0.5UDC，因此 UMG＝0，UEH＝0.5UDC，即 VIENNA 電路中開關(guān)器件只承受了一半的輸出直流電壓，所以開關(guān)管電壓應(yīng)力小，非常適合于大功率三相PFC整流電路。

圖1三相VIENNA電路

圖1電路中，電流可以雙向流動(dòng)，輸出端串聯(lián)的兩個(gè)濾波電容上的電壓為1／2輸出電壓。a點(diǎn)、b點(diǎn)、c 點(diǎn)的電壓都有三種電平，分別是 1／2Uo、0、－1／2Uo，三個(gè)電平取決于開關(guān)管的開通和關(guān)斷以及電流的方向。整個(gè)電路構(gòu)成了1992年由Pinheiro J R提出的三相三開關(guān)三電平PFC電路［1]，即為三相維也納型（VIENNA）整流電路。

2.2 電路的等效

如果用雙向開關(guān)S1，S2和S3來分別代替圖1中的三個(gè)開關(guān)，那么圖1可簡化為圖2。

圖2 電路等效圖

圖 2 中 D1、D2，D3，D4，D5，D6 為快恢復(fù)二極管，S1，S2，S3為雙向開關(guān)，可以通過雙向開關(guān)S1，S2和S3來分別控制對(duì)應(yīng)相上的電流。每一相電感電流的大小完全可以根據(jù)需要隨時(shí)進(jìn)行控制，工作在CCM模式下，可以大大減小諧波。

以A相為例，當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)，A相直接對(duì)LA儲(chǔ)存能量，電感電流增大。當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，電感中儲(chǔ)存的能量向輸出直流側(cè)釋放，在A相電壓的正半周，電流流經(jīng)LA，LA、D1、C1形成升壓斬波電路，在電壓的負(fù)半周，LA、D4、C2形成升壓斬波電路。在圖1所示的電路中，當(dāng)三相中的一相處于直通狀態(tài)時(shí)，另外兩個(gè)斬波相的電壓相對(duì)于直通相的線電壓就會(huì)出現(xiàn)同時(shí)為正或同時(shí)為負(fù)或一正一負(fù)的情況，當(dāng)同時(shí)為正使電流只能從C1上流過，同時(shí)為負(fù)時(shí)，電流只能從可以從C2上流過，當(dāng)線電壓為一負(fù)一正時(shí)，電流可以從C1和C2上流過，這就造成了電容電壓的嚴(yán)重不平衡，因此在其控制方法上就需要考慮這個(gè)問題。

3 VIENNA電路的控制

同其它PFC電路一樣，三相VIENNA電路主要目的是在得到穩(wěn)定的輸出直流電壓的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)輸入交流電流的正弦化和單位輸入功率因數(shù)并且要求開關(guān)管的電壓應(yīng)力要小。三相VIENNA電路實(shí)際上可以等效為兩個(gè)常規(guī)的PFC電路的級(jí)聯(lián)，從常規(guī)PFC電路得到的一般控制方法都可以應(yīng)用于該電路中。但是，與常規(guī)PFC電路不同，這種電路拓?fù)湟鶕?jù)三相電流的不同時(shí)段而發(fā)生改變。對(duì)于三相VIENNA電路來說，由于會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)電容上的電壓嚴(yán)重失衡，為了解決這個(gè)問題，文中引進(jìn)了了區(qū)間控制即控制電路拓?fù)涞母淖?，只需要在不同時(shí)段找出中間相并使之在該時(shí)段內(nèi)一直處于直通狀態(tài)，而最高相和最低相在該時(shí)段內(nèi)一直處于高頻斬波狀態(tài)。

3.1 分時(shí)段信號(hào)的產(chǎn)生

嚴(yán)格說來，分時(shí)段信號(hào)的產(chǎn)生應(yīng)當(dāng)根據(jù)最高相、最低相和中間相的輸入電流而不是輸入電壓來將一個(gè)工頻周期劃分為6個(gè)區(qū)間。但是，在PFC電路穩(wěn)定運(yùn)行之前，三相電流信號(hào)根本就不存在，即使有也不是三相正弦波形。這就意味著若以三相電流信號(hào)作為區(qū)間劃分的輸入信號(hào)，系統(tǒng)根本沒有穩(wěn)定運(yùn)行的可能性。解決這個(gè)問題的辦法是取電壓信號(hào)代替電流信號(hào)，這是因?yàn)镻FC電路的根本目的是實(shí)現(xiàn)輸入電流的正弦化和功率因數(shù)為1，輸入電流在波形和相位上與輸入電源電壓基本上是一致的，僅就區(qū)間劃分的需要而言，輸入交流電流信號(hào)完全可以以輸入交流電壓信號(hào)來替代，而輸入電壓信號(hào)總是存在的。令每一相電壓在正向和負(fù)向過零的30°范圍內(nèi)其對(duì)應(yīng)的開關(guān)一直導(dǎo)通，另外兩相交替斬波，信號(hào)劃分區(qū)間如圖3所示。

圖3 三相電壓信號(hào)

根據(jù)圖3所示的三相信號(hào)以及時(shí)段的劃分，有等式（2）：

根據(jù)式（2）的信號(hào)要求，設(shè)計(jì)出時(shí)段（相位）劃分電路如圖4所示。

圖4 相位劃分電路

在圖4中，三相線電壓uab、ubc、uca經(jīng)過電壓互感器隔離降壓后，再經(jīng)過由一階RC網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的濾波器濾除噪聲，送入過零比較器轉(zhuǎn)換為線電壓方波同步信號(hào)。三個(gè)線電壓方波同步信號(hào)通過反相器獲得三個(gè)線電壓的反相電壓uba、ucb、uac的方波同步信號(hào)。這六個(gè)方波信號(hào)經(jīng)過邏輯門后產(chǎn)生6個(gè)時(shí)段的高電平信號(hào)。

考慮到VIENNA電路在一個(gè)工頻周期內(nèi)的6個(gè)時(shí)段的拓?fù)溆袃蓛上嗤?，即電路拓?fù)鋵?shí)際上只有3種，因此將6個(gè)時(shí)段高電平信號(hào)兩兩相或得到3個(gè)高電平信號(hào)，以控制相應(yīng)的相雙向開關(guān)直通。

3.2 控制方法

通常對(duì)PFC電路的控制采用電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)的控制結(jié)構(gòu)［4]，其中電壓外環(huán)的目的是使輸出直流電壓穩(wěn)定，電壓環(huán)的輸出通過乘法器乘以參考正弦信號(hào)后作為內(nèi)環(huán)電流環(huán)的電流參考信號(hào)，系統(tǒng)檢測主電路上的電流與參考電流信號(hào)進(jìn)行比較，誤差量經(jīng)過調(diào)節(jié)器后輸出PWM脈沖占空比。鑒于本系統(tǒng)功率較大，主開關(guān)管采用四管并聯(lián)結(jié)構(gòu)，所以采用能夠高精度跟蹤基準(zhǔn)正弦電流信號(hào)、電路調(diào)試方面、易于實(shí)現(xiàn)多管或多模塊的滯環(huán)控制法來控制［3]。但在系統(tǒng)閉環(huán)帶寬、增益等參數(shù)的配合調(diào)試上要注意協(xié)調(diào)，否則系統(tǒng)不易穩(wěn)定。

控制部分由電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)組成，外環(huán)調(diào)節(jié)電壓，內(nèi)環(huán)矯正功率因數(shù)。雖然每一相都配備獨(dú)立的電壓環(huán)有利于提高控制精度和響應(yīng)速度實(shí)現(xiàn)三相獨(dú)立調(diào)節(jié)，但是不利于斬波時(shí)段的控制，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定，因此，在設(shè)計(jì)控制電路時(shí)不宜為每一相配備一個(gè)獨(dú)立的電壓控制環(huán)，必須三相公用一個(gè)公共電壓控制環(huán)。

以S1的導(dǎo)通信號(hào)PWM a的生成為例，輸出電壓U0和給定電壓Uref相比較，二者的差值經(jīng)過PID調(diào)解之后通過乘法器乘以參考正弦信號(hào)ua半波后作為內(nèi)環(huán)電流環(huán)的電流參考信號(hào)，系統(tǒng)檢測主電路上的電流ia半波與參考電流信號(hào)進(jìn)行比較，誤差量經(jīng)過調(diào)節(jié)器后輸出PWMa，同理生成PWMb和PWMc。

控制部分生成的PWM a、PWM b、PWM c分別和區(qū)間控制中的輸出La、Lb、Lc分別相或，所的信號(hào)即為PWMA、PWMB和PWMC作為最終的開關(guān)控制信號(hào)，把它們分別送給雙向開關(guān)S1、S2、S3，使得電路電流電壓同相位，達(dá)到功率因數(shù)校正的目的。

由于電流參考信號(hào)由電壓反饋環(huán)決定，所以為了保持系統(tǒng)穩(wěn)定且獲得高的功率因數(shù)，反饋環(huán)的帶寬不宜太寬。

4 仿真結(jié)果（輸出直流4000V）

三相VIENNA電路閉環(huán)控制參數(shù)如下：

其仿真結(jié)果如圖5所示（取A相電壓電流來觀察）。

圖5 三相PFC電路閉環(huán)控制仿真結(jié)果

如圖5所示，輸入電流幅值為85A，輸出電壓為4000V，輸出電壓的誤差范圍是-2～+2V。從圖中可以看出三相輸入電流為和輸入電壓同相位的正弦波，說明電流環(huán)參數(shù)設(shè)計(jì)合理，功率因數(shù)校正效果好。輸出電壓穩(wěn)定，說明電壓環(huán)參數(shù)設(shè)計(jì)合理。從而驗(yàn)證了文中分析方法的正確性。

5 實(shí)例設(shè)計(jì)（輸出800V）

原理樣機(jī)如圖6所示，其主要參數(shù)為：輸入幅值為311V的三相交流電壓，輸出直流電壓V0＝800V，輸出功率 1.6kW，開關(guān)頻率 f＝100kHz，主電路所選的元器件有：輸入EMI濾波電路中所用的電容型號(hào)為 250V、105K、MPX275～X2，陶瓷電容的型號(hào)為4700pF、250V、AH472M，有機(jī)電容的型號(hào)為 CSDMPR224J630V，升壓電感 0.2mH（Tokin FEER42-2500B，23匝），開關(guān)管 Sa、Sb、Sc型號(hào)為SPW47N60CFD，Dn5、Dn6等快恢復(fù)二極管型號(hào)為DSEC60-06A，Dn1-Dn4型號(hào)為DS145-08A，輸出穩(wěn)壓電容有19個(gè)電解電容并聯(lián)，型號(hào)為San con CD29H。

圖6 樣機(jī)圖

圖7 波形圖

如圖 7（a）、（b）所示，利用樣機(jī)做實(shí)驗(yàn)，通過觀察波形，可以看到所有的波形都很干凈，輸入三相電流和三相電壓同相，功率因數(shù)近似為1，輸出電壓為800V，波形比較穩(wěn)定，電壓值波動(dòng)較小。

6 結(jié)論

本文從理論上分析了三相VIENNA電路的性能，又利用仿真對(duì)其做了驗(yàn)證，并給出了一個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)例，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，通過分析可以得出如下結(jié)論。

（1）用滯環(huán)控制法可以對(duì)三相VIENNA型電路的功率因數(shù)進(jìn)行很好的矯正，可以得到一個(gè)輸出穩(wěn)定，無諧波污染，控制簡單，高輸入功率因數(shù)等諸多優(yōu)點(diǎn)的大功率三相整流系統(tǒng)。

（2）開關(guān)管所承受的電壓應(yīng)力均為輸出直流電壓的一半，因此該變換器非常適用于高壓大功率的應(yīng)用場合。

（3）在實(shí)際的高壓場合中（比如4000V）輸出穩(wěn)壓電容的型號(hào)選擇比較艱難，這個(gè)問題還有待解決。

［1] Glanzer G，Sivaraman T，Buffalo J I.Cost－efficient Integration of Electric Vehicles with the Power Grid by Means of Smart Charging Strategies and Integrated on－board Chargers［J] .Environment and Electrical Engineering，2011，12（1）：1－4.

［2] Tero Viitanen，Heikki Tuusa.A Steady－State Power Loss Consideration of the 50kW VIENNA I and PWM Full－Bridge Three－phase Rectifiers［J] .Power Electronics Specialists Conference，2002，2（6）：915－920.

［3] Gui－xin Wang，Bin Wang，Yong Kang，Jim Chen.A Novel Voltage－Controlled Delta－Modulated UPS Inverter Control Scheme senior member［J] .Industrial Electronics Society，2004，2（6）：1833－1838.

［4] 趙 洋，郭 恒.關(guān)于有源功率因數(shù)校正（APFC）的研究［J] .電力電子技術(shù)，2011：27（5）：1－5.