整流器死區(qū)能量利用方案的研究

劉景成 鄒 黎 王景山

山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 山東 淄博 255000

0 引言

整流器是把交流電轉(zhuǎn)換成直流電的裝置，可用于供電專職及偵測(cè)無(wú)線電信號(hào)等領(lǐng)域［1］。整流器整流出的電能可以直接供給負(fù)載或者供給逆變器，也可以作為蓄電池的充電器。整流器在很多電力、電子設(shè)備中被廣泛應(yīng)用，作為典型的非線性負(fù)載，由于其工作過程中產(chǎn)生了死區(qū)，造成了很大的能量浪費(fèi)和產(chǎn)生了很多的諧波，其危害不容忽視。本文在整流器工作原理的基礎(chǔ)上對(duì)死區(qū)產(chǎn)生的原理及造成的危害進(jìn)行了分析，提出了死區(qū)能量利用的方案并對(duì)其減小危害的效果進(jìn)行了分析。

1 死區(qū)產(chǎn)生的原理及其危害

1.1 死區(qū)的產(chǎn)生原理

整流器的死區(qū)是由兩方面原因造成的：一是整流管本身開啟和關(guān)斷存在一定的延時(shí)性，這一部分的能量很小，是由器件本身的特性決定的（本文用理想器件進(jìn)行研究，可忽略該部分損耗）；二是由電源整流部分工作特性決定的［2］。本文主要考慮第二部分的損耗，并針對(duì)這一部分進(jìn)行分析研究。

整流器基本原理圖如下圖1所示：

圖1 三相中頻電源整流橋工作原理圖

如圖1所示，整流橋上下橋臂的三極管分為兩組：共陰極管V1、V3、V5和共陽(yáng)極管V2、V4、V6各三只［3］。中頻電源工作時(shí)，上下橋臂的兩組晶閘管各有一只三極管輪流導(dǎo)通 （同一相的兩只不能同時(shí)導(dǎo)通），也就是說，當(dāng)上橋壁有一只導(dǎo)通時(shí)，下橋壁也只有一只導(dǎo)通且不能是同一相的那只，導(dǎo)通相分別是AB、BC、CA……這就要求三極管的開通和關(guān)斷要在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成。為了使電源能正常工作，就有了三極管死區(qū)和觸發(fā)角a這一概念［4］。 a等于0°和30°時(shí)的整流波形如下圖2所示：

圖2 a＝0°和30°時(shí)的三相交流電整流波形圖波形圖

由圖2可得：a在整個(gè)移向范圍內(nèi)，直流輸出電壓Ud與整流輸入線電壓UL的關(guān)系：

由上邊公式可以看出，對(duì)Ud的積分是從30°開始的，直流輸出的電壓最大為1.35UL，30°之前的能量沒有得到利用，這部分能量就是死區(qū)，這是由三相整流器的工作原理決定的。從廣義上講，當(dāng)整流角不為零時(shí)，a＋30°以內(nèi)的區(qū)域都可被稱為死區(qū)。

1.2 死區(qū)的危害

死區(qū)的危害之一就是導(dǎo)致了諧波的產(chǎn)生。為了方便分析死區(qū)的危害，這里選取單個(gè)正弦周期波（UM＝100V）去除死區(qū)能量后的波形進(jìn)行分析，波形如下圖3所示：

圖3 正弦波去除死區(qū)能量后的波形

從輸出波形可以看出，在死區(qū)區(qū)間內(nèi)晶閘管不觸發(fā)，因此在該區(qū)間內(nèi)，波形有一段缺失，變成周期性的非正弦波，經(jīng)傅立葉級(jí)數(shù)分析后，可知諧波隨之產(chǎn)生［5］。現(xiàn)進(jìn)行傅立葉分解，仿真圖如下圖4所示：

圖4 去除死區(qū)后波形的傅立葉諧波分析圖

由上圖可以看出，死區(qū)能量被阻止后，電壓中的3、5、7……奇次諧波就此產(chǎn)生，這些諧波反饋到電網(wǎng)，會(huì)造成電網(wǎng)污染、正弦電壓波形畸變，使電力系統(tǒng)發(fā)供電設(shè)備出現(xiàn)異常和故障對(duì)電網(wǎng)的安全運(yùn)行構(gòu)成威脅。

死區(qū)的另一個(gè)危害就是造成了能量的浪費(fèi)。由于死區(qū)的存在，死區(qū)內(nèi)的這部分能量能量不能被直接利用，所以當(dāng)負(fù)載消耗一定功率（P＝UI）時(shí)，電網(wǎng)需要提供更多的功率才能滿足原先的需求，增加了電網(wǎng)負(fù)擔(dān)，尤其是當(dāng)觸發(fā)角較大時(shí)，浪費(fèi)能量更嚴(yán)重，因此將死區(qū)電能提取再利用很有必要。

2 死區(qū)能量的利用

要利用死區(qū)能量，首先要提取這一部分能量。由整流器的工作原理，這一部分能量不被觸發(fā)導(dǎo)通，不能被直接利用，所以要增加另外一條線路進(jìn)行傳輸，最后疊加到原線路，獲得所需要的直流電壓然后輸出。關(guān)于死區(qū)能量的利用這一問題有兩種可行的方案，能量傳輸?shù)穆窂饺缦聢D5所示：

圖5 死區(qū)能量利用方案圖

死區(qū)的能量提取整流后，一種方案是疊加到整流主電路的直流上，然后進(jìn)行斬波處理，獲得所需要的電壓然后輸出；另一種則是將整流出的死區(qū)電流先進(jìn)行斬波處理然后疊加到主電路，然后輸出?，F(xiàn)分別對(duì)各個(gè)步驟進(jìn)行分析：

2.1 死區(qū)能量的提取

為了方便分析，這里也選取單個(gè)正弦周期波（UM＝100V）進(jìn)行分析，死區(qū)的區(qū)間是0∶β，由于整流器工作時(shí)將這一部分能量阻斷掉了，因此如果要利用這部分能量，需要先將其進(jìn)行提取。死區(qū)能量的提取可利用符合下式邏輯功能的電路實(shí)現(xiàn)：

當(dāng)U＝UMsinφ（nπ≤φ≤β+nπ）時(shí)，n＝0，1，2，3K，允許提取能量；

當(dāng)U＝UMsinφ（β＋nπ≤φ≤（n+1）π）時(shí)，n＝0，1，2，3K，禁止提取能量；

依據(jù)以上原則進(jìn)行提取，獲得的死區(qū)波形如下圖6所示：

圖6 死區(qū)能量波形圖

2.2 死區(qū)能量的整流

如圖6所示，提取出的死區(qū)能量依然是周期性的正負(fù)交錯(cuò)的，不能直接利用，需要進(jìn)行整流，然后對(duì)整出的直流直接進(jìn)行斬波或疊加到原電路的直流中再進(jìn)行斬波，從而將死區(qū)能量轉(zhuǎn)化為有用功率輸出。死區(qū)單獨(dú)整流后的仿真波形如下圖7所示：

圖7 死區(qū)能量整流波形圖

2.3 整流波形的斬波處理及疊加

整流出的電能需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)臄夭?，取得所需要的輸出電壓才能被利用。一般的斬波電路分為升壓、降壓、升降壓、Cuk、Sepic、Zeta斬波電路六種，選擇合適的斬波電路就可以獲得所需要的直流電壓。

經(jīng)過提取、整流、斬波、疊加輸出后，死區(qū)的電能就被利用起來(lái)。死區(qū)的兩種利用方案就是對(duì)這幾個(gè)過程的不同組合方案。

3 效果驗(yàn)證

為了分析死區(qū)能量利用后消諧波的效果，現(xiàn)分別對(duì)原始的整流波形和疊加死區(qū)能量的整流波形進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證死區(qū)能量利用后的好處。實(shí)驗(yàn)中利用傅立葉分解模塊對(duì)死區(qū)能量疊加前后的波形進(jìn)行分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下圖8所示：

圖8 疊加死區(qū)前整流波形3、5次諧波仿真圖

圖9 疊加死區(qū)后整理波形的3、5次諧波仿真圖

圖8中兩個(gè)窗口顯示的是未添加死區(qū)能量時(shí)的3、5次諧波值，左邊窗口為3次諧波值，最大值約為20V，右邊的為5次諧波值，最大值約為11V；圖9中兩個(gè)窗口顯示的是添加死區(qū)能量合成時(shí)的3、5次諧波值，幅值約為16V和7V。對(duì)比可以看出，合成后諧波幅值明顯減小，反饋到進(jìn)線端也就改善了電能質(zhì)量，減少了諧波危害，清潔了電能。

其次，死區(qū)能量疊加后，由于多加了一部分能量，整流后的電壓平均值肯定是的到了提高，輸出能量變大，使電能得到充分利用，減小了電能的浪費(fèi)，也就減小了電網(wǎng)的負(fù)擔(dān)。

4 結(jié)束語(yǔ)

死區(qū)能量的提取應(yīng)用能提高電源能量的利用率，使整流的直流功率增大，同時(shí)還能減小電網(wǎng)的諧波污染，減小干擾。但死區(qū)的利用，需要另外多出一條電路，增加了一次性投入的成本，同時(shí)由于技術(shù)條件限制，現(xiàn)在應(yīng)用的器件不可能達(dá)到理想的狀態(tài)，輸出的波形也不可能達(dá)到理想的狀態(tài)，因此死區(qū)電能的利用需要考慮多種因素的影響，以達(dá)到最優(yōu)的應(yīng)用效果。

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