相控陣雷達三相有源PFC電源技術(shù)研究

查文琦，趙豪兵，吳 珩，陳 潔，周 鑫，張 帥

(中國船舶重工集團公司第七二四研究所,江蘇 南京 211106)

0 引 言

艦船系統(tǒng)中大量采用現(xiàn)代電子技術(shù)后，使得電磁兼容問題更加突出。GJB 151B-2013《軍用設備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求與測量》中對水面艦艇電磁兼容要求中電源線傳導發(fā)射有著嚴格的約束。現(xiàn)代相控陣雷達的380 V三相交流電，基本上全部用于為功放或TR組件提供電能的電源組件。電源組件輸入電壓的功率因數(shù)及諧波含量直接影響著整個電源系統(tǒng)的電磁兼容水平[1-2]。由于相控陣雷達電源系統(tǒng)對電磁兼容的嚴格要求，其電源組件對功率因數(shù)及諧波含量都有著極其迫切的改善需求。

1 工作原理

1.1 三相有源功率因數(shù)校正(PFC)拓撲

三相有源功率因素校正(PFC)實際上是一個整流器，它在將交流輸入整流成直流電壓輸出的同時，保持三相輸入電流與電壓相位同步且無畸變。目前所應用的三相PFC拓撲類型多樣。傳統(tǒng)的不控整流或半控整流裝置由于其自身的不完全可控，其性能已經(jīng)遠遠難以滿足當前的需要，傳統(tǒng)的兩電平整流器拓撲也與人們對高壓、大功率，高性能的要求相距甚遠。

與其他拓撲相比，Vienna整流器(三電平三開關(guān)BOOST整流器)具有結(jié)構(gòu)簡單、開關(guān)管器件應力小、無直通危險、可運行與單位功率因數(shù)、諧波含量少等優(yōu)點，在對輸出功率要求大、功率密度要求高、功率因數(shù)改善要求嚴格的場合應用廣泛。

圖1為Vienna拓撲的電路圖，它由3個輸入電感(L1～L3，工作在電流連續(xù)模式下)、1個三相整流橋(由超快恢復二極管構(gòu)成，V1～V6)、3組雙向率開關(guān)(電流可以雙向流動，Q1～Q6)和1組串聯(lián)的輸出電容(C1～C2)構(gòu)成。

圖1 Vienna拓撲電路圖

1.2 Vienna拓撲原理

將Vienna拓撲中每一組功率開關(guān)等效為一個具有通斷功能的開關(guān)，3個等效開關(guān)(Sa，Sb，Sc)共有8種不同的工作狀態(tài)，如表1所示。

表1 功率開關(guān)組合通斷狀態(tài)表

在三相輸入電壓下，三相輸入電流處于不同的區(qū)間，具有不同的極性，如圖2所示。

圖2 三相輸入電壓及電流極性

根據(jù)三組功率開關(guān)的不同通斷狀態(tài)，Vienna拓撲可以變換成如圖3所示的8種工作狀態(tài)。由于三相輸入電壓的相位差異，當三相輸入電流在ia>0，ib>0，ic<0區(qū)間時，Vienna拓撲的工作狀態(tài)如圖3所示。當三相輸入電流的處于其他區(qū)間時，依據(jù)功率開關(guān)的通斷狀態(tài)，可以推導出出該條件下Vienna拓撲的工作狀態(tài)。至此，可以分析推理出整個輸入電壓周期內(nèi)Vienna拓撲的工作狀態(tài)。

圖3 三相Vienna拓撲工作原理圖

圖4 單相Vienna拓撲工作原理圖

由于三相Vienna拓撲的對稱性，可以將三相Vienna拓撲分解成單相電路進行分析，根據(jù)雙向功率開關(guān)不同的開關(guān)狀態(tài)，每一相Vienna拓撲有4種工作狀態(tài)，如圖4所示。

當該相電流為正時，電壓也為正。當雙向開關(guān)關(guān)斷時，該相電感電流的流向如圖4(a)所示，此時對輸出上電容 C1充電，電感后端電壓vixN(相對于 M點)的電位為VBus/2(VBus為輸出直流電壓)；雙向開關(guān)導通時，該相電流流向如圖4(c)所示，此時電感后端電壓被雙向開關(guān)鉗位，vixN的電位為0 V。

當該相電流和電壓同為負，雙向開關(guān)關(guān)斷時，該相電感電流的流向如圖4(b)所示，此時對下電容 C2充電，電感后端電壓vixN的電位為-VBus/2；雙向開關(guān)導通時，該相電流流向如圖4(d)所示，此時電感后端電壓被雙向開關(guān)鉗位，vixN的電位為0 V。

因此，電感后端電壓vixN有3種情況：

(1)

2 三相有源PFC電源設計

2.1 設計指標

針對相控陣雷達對380 V交流輸入電壓功率因數(shù)的改善需求，提出了對三相有源PFC電源的如下設計指標，如表2所示。

表2 三相有源PFC電源設計指標

2.2 關(guān)鍵電路設計

三相有源PFC電源的設計框圖如圖5所示，主功率電路采用Vienna拓撲，其中的關(guān)鍵元器件：輸入電感L1～L2、整流二極管V1～V6、功率開關(guān)管Q1～Q6、輸出電容C1～C2需要根據(jù)功率等級及性能指標進行設計選型。

圖5 三相有源PFC電源設計框圖

2.2.1 輸入電感設計

輸入電感L1～L3可以濾除開關(guān)頻率的諧波，電感電流是控制算法的調(diào)制對象，其設計選型主要從2個因素考慮：一個是電流紋波的計算值，另一個是選擇的磁性材料的特性需要滿足紋波電流大小的要求。根據(jù)電感電流與電壓的關(guān)系式，可以推導出輸入電感Li的設計公式：

(2)

式中：Ts為開關(guān)周期，設定的開關(guān)頻率為50 kHz，因此開關(guān)周期為20 μs。紋波電流△ippmax為允許的最大紋波電流，假設其大小不超過電感電流的10%，代入公式可得電感感值應大于1.5 mH。

此外，在選擇電感的磁性材料時，其頻率特性必須在所需的頻率范圍內(nèi)(50～100 kHz)保持電感量一致。此外，還應該確保在輸入電流最大時不會發(fā)生磁飽和。

2.2.2 輸出電容設計

輸出電容可以濾除輸出電壓的紋波，其容值根據(jù)輸出電壓的紋波的要求來選擇，可由下式計算：

(3)

式中：Pin為輸入功率大??；ΔVpp為允許的紋波大小，根據(jù)所要求的紋波電壓值，可以選擇需要的最小電容值。

2.2.3 開關(guān)管應力

在Vienna拓撲中，功率開關(guān)管關(guān)斷時流過整流二極管V1～V6的電流為電感電流，導通時，二極管承受最大反向電壓為輸出電壓的一半。本實驗中直流側(cè)電壓為700 V，考慮1.5倍裕量，選取的二極管V1～V6至少需要滿足525 V/21 A的應力。

功率開關(guān)管Q1～Q6的選擇需要考慮開關(guān)管的漏源擊穿電壓值和正常運行時開關(guān)管導通時流過的電流值，開關(guān)管斷開時，兩端承受的反向電壓是母線電壓的一半，考慮1.5倍余量，管子的耐壓值需要525 V。開關(guān)管Q1～Q6流過的最大電流為電感的最大電流，考慮1.5倍的余量，電流應力約為21 A。選取的開關(guān)管至少需要滿足525 V/21 A的應力。

2.2.4 采樣電路設計

為了實現(xiàn)對主電路開關(guān)管的控制，需要對輸入交流電壓、輸入交流電流、輸出直流電壓進行采樣，送入數(shù)字信號處理(DSP)模塊作為控制算法的輸入數(shù)據(jù)。

輸入交流電壓采樣電路如圖6所示，輸入電壓vin通過電阻Re、Rf組成的電阻分壓網(wǎng)絡，降低至可以采樣的大小，該電阻網(wǎng)絡同時構(gòu)建出了一個虛擬的輸入三相中點N。分壓后的輸入電壓經(jīng)隔離運放(增益Gf為8.2)后送入差分放大電路，再經(jīng)過濾波環(huán)節(jié)后輸入至DSP中進行AD采樣。

圖6 輸入電壓采樣電路設計

輸出電壓采樣與輸入電壓類似，輸入電流采用霍爾傳感器實現(xiàn)電流電壓的轉(zhuǎn)換，所有的采樣電路都實現(xiàn)了強弱電隔離。

2.3 控制算法設計

2.3.1 電流內(nèi)環(huán)

控制器的設計，在一定程度上是對控制對象的逆推導。電流內(nèi)環(huán)的控制對象是輸入電感。電感兩端的電壓與電流之間存在著如下關(guān)系式：

(4)

針對該純感性控制對象，可以設計一個簡單的比例控制器Gi，對比例增益進行調(diào)節(jié)，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

Gi=Kp(I)

(5)

PFC的目的是將三相輸入電流調(diào)制成正弦波形，并使其相位與三相輸入電壓一致。在Vienna拓撲中，三相輸入電流即是每一相的輸入電感電流。由于電感后端電壓vixN與開關(guān)管處于非導通狀態(tài)的占空比D存在上述直接的關(guān)系，因此調(diào)制電感電流可以轉(zhuǎn)換成調(diào)制電感電壓vixN。根據(jù)之前對Vienna拓撲的推導可知，電感后端電壓vixN與占空比D之間有如下關(guān)系：

(6)

因此，可以推導出占空比D與電流采樣值和電流給定值之間的關(guān)系式。

(7)

根據(jù)該關(guān)系式，可以設計出如圖6所示的電流控制器。電流采樣值與給定值之差通過比例放大器補償放大后，與輸入電壓采樣值進行減法運算，運算后的結(jié)果除以輸出電壓的一半，可以得到占空比D。該占空比通過PWM控制功率開關(guān)管的通斷，將電感電流調(diào)制成所需要的波形。整個電流內(nèi)環(huán)的控制框圖如圖7所示。其中fs為開關(guān)頻率，If為采樣電流的縮小倍數(shù)，iiL*和iiref*分別是電流采樣反饋值和電流給定值[3]。

圖7 電流內(nèi)環(huán)控制算法框圖

2.3.2 電壓外環(huán)

Vienna拓撲的輸出端負載是電容與電阻的并聯(lián)，輸出端控制對象的傳遞函數(shù)如下式所示：

(8)

可以看出，它只有一個極點。在電壓環(huán)控制器中設計1個比例-積分調(diào)節(jié)(PI)控制器Gv，可以對該控制對象達到很好的補償效果：

(9)

電壓給定值Vref*與電壓反饋值VBus*的差值通過PI控制器Gv補償之后，得到的是輸出電流值Io*。因為電感電流需要被調(diào)制成與輸入電壓同相位的正弦波形，因此電流的給定值iiref*中應該添加輸入電壓值作為一個乘法因子。

假設電能轉(zhuǎn)換效率η為理想值1，根據(jù)輸入功率與輸出功率之間的關(guān)系式可以推導出電流的給定值iiref*與輸出電流值Io*之間的關(guān)系式：

(10)

在iiref*的表達式中引入輸入電壓相vin*，可以將輸入電感電流調(diào)制成正弦波形，并跟蹤輸入電壓的相位，實現(xiàn)功率因數(shù)校正。整個電壓外環(huán)控制框圖如圖8所示。

圖8 電壓外環(huán)控制算法框圖

其中，Vf為采樣電壓的縮小倍數(shù)，VBus*和Vref*分別是輸出電壓采樣反饋值和電壓給定值。

2.3.3 電壓平衡控制器

在Vienna拓撲中，輸出電壓總線上使用了一個分裂電容器，這些電容上的電壓由于容值之間的差異及三相三線制無中性點，不會自行保持平衡。因此，在占空比的輸出端，添加了平衡控制器，該平衡控制器使用了簡單的比例增益，將上下2個分裂電容器(C1～C2)的電壓差值補償至輸出占空比中。在添加平衡控制器的同時，還添加了一定量的三次諧波注入，這可以幫助穩(wěn)定直流總線的平衡點。

3 實驗分析

3.1 啟動實驗

在380 V額定交流三相輸入電壓下，采用阻性負載，對研制的三相有源PFC電源模塊進行啟動實驗。在5.19 kW功率等級下，對低壓控制電路提供12 V電源后，加上380 V三相交流電壓。

輸出電壓及三相輸入電流的啟動波形如圖9所示。慢啟動過程的輸出電壓和輸入電流調(diào)制波形如圖10所示。

圖9 功率5.19 kW時的啟動波形

圖10 慢啟動波形

從圖9和圖10中可以看出，在上強電的過程中，三相PFC電源模塊先進入開環(huán)工作狀態(tài)，輸出波形為三相電壓的整流波形，此時DSP控制算法還未啟動，這個過程大約600 ms。之后，輸出電壓由開環(huán)輸出電壓逐步慢啟動至穩(wěn)態(tài)電壓，輸入電流也慢慢由開環(huán)狀態(tài)的電流調(diào)制成穩(wěn)態(tài)的正弦波形。整個啟動過程約為1 s。

3.2 穩(wěn)態(tài)實驗

在380 V額定交流三相輸入電壓下，設置不同的阻性負載，分別在功率等級0.87 kW、1.73 kW、2.61 kW、3.46 kW、4.4 kW、5.31 kW、5.71 kW條件下測試三相有源PFC電源模塊的穩(wěn)態(tài)性能。

輸出功率為5.19 kW時的穩(wěn)態(tài)波形如圖11所示，從圖中可以看出，三相輸入電流被調(diào)制成了良好的正弦波形，其相位與輸入電壓實現(xiàn)了同步。

圖11 功率5.19 kW時的穩(wěn)態(tài)波形

不同功率等級下穩(wěn)態(tài)條件時三相有源PFC電源模塊的輸出電壓、功率、各相諧波、效率、PF值，如表3所示?？梢?，采用三相PFC電源模塊之后的輸入電流，其諧波和功率因數(shù)有了極大的改善，各相性能指標均滿足設計的要求，功率因數(shù)校正效果優(yōu)異。

3.3 負載突變實驗

為了試驗系統(tǒng)對負載突變的反應，測試了在一定負載突變情況下的輸出電壓及輸入電流波形。圖12為輸出負載從3.4 kW突變到4.31 kW時的輸出電壓及輸入電流變化過程，輸出電壓降低約36.88 V，約300 ms后，輸出電壓恢復正常。

表3 不同功率等級下三相有源PFC電源穩(wěn)態(tài)性能指標

圖12 負載由3.4 kW突變至4.31 kW時的波形

圖13為輸出負載從4.31 kW突變到3.4 kW時的輸出電壓及輸入電流變化過程，輸出電壓抬高約38.38 V，約300 ms后，輸出電壓恢復正常。可以看出，負載突變會導致輸出電壓突變。負載突升時，輸出電壓有一定程度的降低，負載突降時，輸出電壓有一定程度的抬升。輸出電壓經(jīng)過短暫的突變后，又恢復至穩(wěn)壓狀態(tài)，而輸入電流的變化比較平緩，慢慢地過渡至新的負載狀態(tài)。

圖13 負載由4.31 kW突變至3.4 kW時的波形

4 結(jié)束語

本文針對相控陣雷達電源系統(tǒng)中380 V三相交流電源對功率因數(shù)校正(PFC)極高的改善需求，深入研究了Vienna拓撲的工作原理及關(guān)鍵電路的設計。設計出電流內(nèi)環(huán)、電壓外環(huán)的雙閉環(huán)PWM控制算法，并添加了輸出電壓平衡控制器，在DSP控制器上實現(xiàn)了數(shù)字化控制。在三相三線制380 V交流輸入條件下，所研制的三相有源PFC電源模塊功率能夠達到5.5 kW，額定條件下各相諧波電流小于3%，PF值接近于1，功率因數(shù)校正效果優(yōu)異，極大地提高了相控陣雷達電源系統(tǒng)的電磁兼容水平。