分流式三相VIENNA軟開關整流器研究

藍文輝

（中國電器科學研究院股份有限公司 廣州 510300）

引言

為解決傳統(tǒng)整流器的諧波“污染”問題和低功率因數(shù)問題[1]，許多整流拓撲被提出。其中最為常見的有三相三電平整流器，主要包括二極管箝位型三電平整流器[2]、電容箝位型三電平整流器[3]以及三相VIENNA整流器[4-9]等。前兩者的拓撲結構復雜，控制困難，設計成本高。三相VIENNA 整流器器件較少，控制簡單，沒有橋臂直通風險，具有高功率因數(shù)、低諧波、高效率以及低開關應力等優(yōu)良特性，許多學者對其拓撲結構、控制策略和中點電位平衡等都進行了廣泛研究[4-9]，但其軟開關技術的研究依然很少。文獻[10]研究了一種ZCS/ZVS 單相VIENNA 整流器，該拓撲利用反向主開關充當正向主開關的輔助開關，無需額外引入輔助開關，結構簡單，能夠實現(xiàn)主開關的零電流開通和零電壓關斷。但是該文獻對此拓撲的研究還不夠完善。因此，三相VIENNA 整流器的軟開關技術還有待深入研究。

為充分發(fā)揮三相VIENNA 整流器的優(yōu)良特性，解決其二極管反向恢復問題和硬開關損耗問題，同時也為了進一步提升其電能傳輸效率并減小其電磁干擾，本文提出了一種分流式三相VIENNA 軟開關整流器，分析了該新型拓撲的基本工作原理、軟開關實現(xiàn)條件、器件應力、功率損耗的計算以及電路參數(shù)的設計等，并搭建實驗平臺，根據(jù)理論計算和實驗數(shù)據(jù)繪制了損耗曲線和效率曲線，通過與傳統(tǒng)三相VIENNA 整流器的對比分析，驗證了所研究整流器的有效性和優(yōu)越性。

1 原理分析

分流式三相VIENNA軟開關整流器拓撲如圖1所示。圖1 中，ea、eb、ec為三相交流電源，La、Lb、Lc為三相濾波電感，RLa、RLb、RLc為三相濾波電感等效內阻，D1～D6為升壓二極管，Lra、Lrb、Lrc為三相諧振電感，Cra、Crb、Crc為三相諧振電容，Sa1～Sa4、Sb1～Sb4、Sc1～Sc4為三相開關管，C1和C2為輸出濾波電容，RL為負載電阻。

圖1 分流式三相VIENNA 軟開關整流器拓撲

1.1 模態(tài)分析

三相對稱情況下，可通過分析其中一相的工作情況來研究三相特性。以A 相正半周期為例，電路可分為6個工作模態(tài)，等效電路圖如圖2 所示，工作波形如圖3所示。其中，Vga1為Sa1驅動電壓，uSa1為Sa1電壓，uSa2為Sa2電壓，uD1為D1反向電壓，uCra為Cra電壓，iSa1為Sa1電流，iSa2為Sa2電流，iD1為D1電流，iD2為D2電流，iLra為Lra電流；ILP為Lra峰值電流，VCP為Cra峰值電壓；ia為輸入電流，V0為輸出電壓。

圖2 分流式三相VIENNA 軟開關電路A 相工作模態(tài)

1）模態(tài)一[t0～t1]：Sa1和Sa3開通，Lra、Sa1、Cra、Sa3、C1和D1形成諧振回路，Lra被充電，Cra被放電，iLra緩慢上升，iD1緩慢下降，抑制了D1的反向恢復，實現(xiàn)了Sa1和Sa3的零電流開通。在t1時刻，iD1降為0，iLra升為ia。

2）模態(tài)二[t1～t2]：D2導通，Lra、Sa1、Cra、Sa3、C2和D2形成新的諧振回路，Lra被充電，Cra被放電，iLra和iD2先上升后下降。在t2時刻，uCra降為（V0/2），iLra降回ia，iD2降回0。

3）模態(tài)三[t2～t3]：D2關斷，Lra恒流導通，Cra恒流放電。在t3時刻，uCra降為0。

4）模態(tài)四[t3～t4]：Sa2和Sa4體二極管導通，ia平均分流到Sa1和Sa2體二極管上。

5）模態(tài)五[t4～t5]：Sa1和Sa3關斷，分流結束，Lra恒流導通，Cra恒流充電，uCra從0 緩慢上升，實現(xiàn)了Sa1和Sa3的零電壓關斷。在t5時刻，uCra升到(V0/2)。

6）模態(tài)六[t5～t6]：D1導通，Lra、Sa2體二極管、Cra、Sa4體二極管、C1和D1構成諧振回路，Lra被放電，Cra被充電，iLra開始下降，iD1開始上升，uCra繼續(xù)上升。到t6時刻，iLra降為0，iD1升到ia，uCra升到VCP，Sa2和Sa4體二極管關斷。

1.2 軟開關實現(xiàn)條件

從圖3 可以看出，該電路存在占空比損失，記Don和Doff分別為開通占空比損失和關斷占空比損失，Ts為開關周期，則有Don·Ts=t3-t0，Doff·Ts=t6-t4。Don和Doff應 越小越好。

圖3 分流式三相VIENNA 軟開關電路A 相工作波形

記ωr為諧振角頻率，結合模態(tài)分析可得：

該電路是通過降低開通電流上升速率和關斷電壓上升速率實現(xiàn)軟開關，因此，軟開關條件很容易滿足，只需保證開關管的占空比D 滿足Don＜D＜(1-Doff)。

1.3 器件應力分析

該電路的器件應力如表1 所示。其中，VCr1為Cra在t1時刻的電壓值。

表1 工頻正半周期內分流式三相VIENNA 軟開關電路各器件應力

2 參數(shù)設計

不 同Cra下Don和Doff與Lra的關系曲線如圖4 所示，可以看出，Don和Doff受Lra影響很小，而Cra越大，Don和Doff越大，故Cra取值最好小于0.3uF。令Vpk=ia/(ωrCra)，則Vpk可體現(xiàn)電壓應力，ILP可體現(xiàn)電流應力。不同Cra下Vpk和ILP與Lra的關系曲線如圖5 所示，可以看出，Lra越小，Cra越大，電壓應力越小；Lra越大，Cra越小，電流應力越小。因此，電壓應力和電流應力應進行適當?shù)娜∩帷＝?jīng)過權衡，文中最終選取Lra=3uH，Cra=0.1 uF。

圖4 不同Cra下Don和Doff與Lra 的關系曲線

圖5 不同Cra下，Vpk和ILP與Lra的關系曲線

3 仿真及實驗驗證

3.1 仿真分析

仿真參數(shù)如表2 所示。文中利用simulink 搭建仿真電路，采用空間矢量調制的控制方式。圖6 為正半周期下A 相工作波形，可以看出，仿真波形與理論分析基本一致。

表2 分流式三相VIENNA 軟開關電路參數(shù)

圖6 分流式三相VIENNA 軟開關電路正半周期下A 相工作波形

3.2 實驗驗證

文中搭建了分流式三相VIENNA 軟開關電路實驗平臺，其中功率開關管采用MOSFET，型號為STW15NA50，升壓二極管采用快恢復二極管，型號為IDW15E65D2，控制芯片采用tms320f28069。

圖7 為正半周期下A 相開關管和升壓二極管的開關波形?？梢钥闯觯_關管的開通電流上升速率和關斷電壓上升速率都很緩慢，實現(xiàn)了零電流開通和零電壓關斷；升壓二極管關斷時，沒有反向恢復問題，且實現(xiàn)了零電流關斷，開通時，其電流在反向電壓降為0 后才開始增大，實現(xiàn)了零電壓開通。

圖7 A 相開關管和升壓二極管開關波形

綜上所述，所設計的分流式三相VIENNA 軟開關整流器，能夠實現(xiàn)功率開關管和升壓二極管的軟開關，消除升壓二極管的反向恢復電流，且通過合理的參數(shù)設計不會出現(xiàn)過高的電壓應力，實驗波形與理論分析及仿真波形相符，驗證了所提拓撲的有效性和優(yōu)越性。

4 結論

論文提出了一種分流式三相VIENNA 軟開關電路并開展了進行了相關研究：分析了其工作模態(tài)、軟開關實現(xiàn)條件、器件應力、開關損耗并進行了參數(shù)設計。理論分析、仿真及實驗驗證表明該拓撲能夠實現(xiàn)主開關管全范圍內的零電流開通和零電壓關斷，解決二極管的反向恢復問題，提高整流器的效率，減小電磁干擾，且原理簡單，結構簡單，控制方便，成本低，效率高，器件應力和電磁干擾在合理參數(shù)下都在處于容許范圍，因此具有較為突出的優(yōu)點和實際應用價值。