東莞市科旺科技股份有限公司
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Vienna整流器于1994年被奧地利維也納大學(xué)的學(xué)者J.W.Kolar提出,作為一種三電平變換器,相較于普通的兩電平整流器如三相六開(kāi)關(guān)整流器,其最大的優(yōu)勢在于,功率器件承受的應力降低了一半、功率密度高、輸入電流的畸變??;相對于普通的三電平變換器,它具有電路簡(jiǎn)單、功率器件較少,無(wú)橋臂直通的可能從而避免了死區時(shí)間的設置,同時(shí)降低了開(kāi)關(guān)損耗、控制的復雜性和增大了有限占空比,也就是說(shuō)可靠性得到了大幅提高。
因此,針對直流充電樁等高壓大功率場(chǎng)合,作為單向功率流動(dòng)的Vienna整流器受到了很大的歡迎。
根據其輸入輸出的連接方式,我們可以分為三相四線(xiàn)制和三相三線(xiàn)制兩類(lèi)。前者的電源中線(xiàn)和輸出電容中點(diǎn)相連,三相電路可以實(shí)現獨立的控制;后者三相耦合,控制分為解耦和不解耦兩種方法,也就是dq坐標系和abc靜止坐標系兩者分析方法。我們今天主要分析三相三線(xiàn)制。
Vienna的基本電路拓撲如下:
其包括三個(gè)輸入升壓濾波電感、三相不可控整流橋(6個(gè)二極管)、三個(gè)雙向開(kāi)關(guān)組(每組包括兩個(gè)反向串聯(lián)的功率MOSFET)和兩個(gè)輸出電容。
當Vienna整流器處于穩態(tài)時(shí),每一相的 橋臂均由一個(gè)雙向開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現電流的雙向流動(dòng),進(jìn)而實(shí)現PFC功能(之前我們也提到雖然其是單向功率流動(dòng),但是其中電流仍是雙向的)。我們以B相來(lái)進(jìn)行說(shuō)明,當Sb開(kāi)通(我們記為1)時(shí),無(wú)論ib正負與否,整流器輸入端電壓UBM被開(kāi)關(guān)管鉗位在0,如下圖所示:
UBM=0,ib<0 UBM=0,ib<0
當Sb關(guān)斷(我們記為0)時(shí),電流ib僅能通過(guò)二極管Db1和Db2,且ib>0通過(guò)上整流管Db1,整流器輸入端電壓UBM被鉗位在UPM;當ib<0通過(guò)下整流管Db2,整流器輸入端電壓被前衛在-UMN,如下圖所示:
UBM=UPM,ib>0 UBM=-UMN,ib<0
故,Vienna整流器的輸入端電壓,我們可以用下式表示:
當輸出上下電容能夠實(shí)現均壓,則UPM=UMN=UPN/2。所以上式我們可以轉化為
式中,當開(kāi)關(guān)管S1開(kāi)通時(shí)為1,關(guān)斷時(shí)則為0。當i1>0,sign(i)=1;i1<0,sign(i1)=1。
綜上所述,輸入端的電壓方程可以表達為:
對于三相電網(wǎng)平衡系統,可得
Vienna整流器的調制方法,大多借鑒一普通的二極管鉗位三電平變換器,常見(jiàn)的如載波脈寬調制CB-PWM,不連續調制DPWM以及空間矢量SVM。
載波調制中有正弦調制波調制SPWM和基于共模分量注入的載波調制。SPWM出現的較早,實(shí)現簡(jiǎn)單,并且輸出效果較好,所以用的比較常見(jiàn)。但是其電壓利用率不是很高,中點(diǎn)電壓波動(dòng)也比較大;共模分量注入的載波調制常用的時(shí)三次諧波,可以一定程度上彌補一下SPWM的缺陷。不連續調制在特定時(shí)間內分別將調制波鉗位到正、負和零三種電平,從而降低電流的畸變,減少開(kāi)關(guān)動(dòng)作次數,但是仍然具有中點(diǎn)電壓波動(dòng)、電流諧波含量較大的缺點(diǎn)。
Vienna整流器的矢量分布圖如下:
與普通三電平不同的是,其輸入電壓不僅與開(kāi)關(guān)狀態(tài)有關(guān),同時(shí)還受到電流方向的限制。即在開(kāi)關(guān)管開(kāi)通時(shí)為零電平(o);在開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí),當輸入電流為正時(shí),中點(diǎn)電壓為正電平(p),當輸入電流為負時(shí),中點(diǎn)電壓為負電平(n)。
空間矢量表達式:
其中,Va、Vb、Vc表示各相對應的輸入電壓的電平,根據調制的特點(diǎn),供可構建的矢量個(gè)數為33=27個(gè)。其中,有三個(gè)零矢量,六個(gè)長(cháng)度為2UPN/3的大矢量,六個(gè)長(cháng)度為√3UPN/3的中矢量以及十二個(gè)長(cháng)度為UPN/3的小矢量。而nnn和ppp為無(wú)效矢量,由于電流沒(méi)有流通路徑而不存在;ooo可以將三相電源構成回路而無(wú)輸出電容的充放電。