直接电流控制的三相桥式PWM整流电路的设计与分析

摘要:目前，各类电力电子变换器的输入整流电路输入功率级一般采用不可控整流或相控整流电路。这类整流电路结构简单，控制技术成熟，但交流侧输入功率因数低，并向电网注入大量的谐波电流。据估计，在发达国家有60%的电能经过变换后才使用，而这个数字在本世纪初达到95%。目前，谐波污染在我国也已经成为一个比较严重的公害，亟待解决。PWM整流具有功率因数接近1、流入电网的电流基本接近正弦波、对电网的谐波污染小等优点。 本文对直接电流控制的PWM整流电路开展研究，主要内容如下： (1) 设计BOOST型三相桥式PWM整流器的主电路。 (2) 设计基于直接电流控制PWM整流电路的控制系统。 (3) 建立直接电流控制系统Simulink仿真模型，进行仿真分析。仿真结果证明直接电流控制方案使得PWM整流器功率因数接近于1，流入电网的电流基本接近正弦波，对电网的谐波污染小等优点。 前言 　在电力系统中，电压和电流应是完好的正弦波。但是在实际的电力系统中，由于非线性负载的影响，实际的电网电压和电流波形总是存在不同程度的畸变，给电力输配电系统及附近的其它电气设备带来许多问题，因而就有必要采取措施限制其对电网和其它设备的影响。随着电力电子技术的迅速发展，各种电力电子装置在电力系统、工业、交通、家庭等众多领域中的应用日益广泛，大量的非线性负载被引入电网，导致了日趋严重的谐波污染。电网谐波污染的根本原因在于电力电子装置的开关工作方式，引起网侧电流、电压波形的严重畸变。目前，随着功率半导体器件研制与生产水平的不断提高，各种新型电力电子变流装置不断涌现，特别是用于交流电机调速传动的变频器性能的逐步完善，为工业领域节能和改善生产工艺提供了十分广阔的应用前景。相关资料表明，电力电子装置生产量在未来的十年中将以每年不低于10%的速度递增，同时，由这类装置所产生的高次谐波约占总谐波源的70%以上。 　　在我国，当前主要的谐波源主要是一些整流设备，如化工、冶金行业的整流设备和各种调速、调压设备以及电力机车。传统的整流方式通常采用二极管整流或相控整流方式，采用二极管整流方式的整流器存在从电网吸取畸变电流，造成电网的谐波污染，而且直流侧能量无法回馈电网等缺点。采用相控方式的整流器也存在深度相控下交流侧功率因数很低，因换流引起电网电压波形畸变等缺点。这些整流器从电网汲取电流的非线性特征，给周围用电设备和公用电网都会带来不利影响。 　　为了抑制电力电子装置产生的谐波，其中的一种方法就是对整流器本身进行改进，使其尽量不产生谐波，且电流和电压同相位。这种整流器称为高功率因数变流器或高功率因数整流器。高功率因数变流器主要采用PWM整流技术，一般需要使用自关断器件。对电流型整流器，可直接对各个电力半导体器件的通断进行 PWM调制，使输入电流成为接近正弦且与电源电压同相的PWM波形，从而得到接近1的功率因数。对电压型整流器，需要将整流器通过电抗器与电源相连。只要对整流器各开关器件施以适当的PWM控制，就可以对整流器网侧交流电流的大小和相位进行控制，不仅可实现交流电流接近正弦波，而且可使交流电流的相位与电源电压同相，即系统的功率因数总是接近于1。本文主要对与PWM整流器相关的功率开关器件、主电路拓扑结构和控制方式等进行详细说明，在此基础上对PWM 整流技术的发展方向加以探讨。 第一章PWM整流电路概述 1.1功率开关器件 PWM整流器的基础是电力电子器件，其与普通整流器和相控整流器的不同之处是其中用到了全控型器件，器件性能的好坏决定了PWM整流器的性能。优质的电力电子器件必须具有如下特点：(1)能够控制通断，确保在必要时可靠导通或截止；（2）能够承受一定的电压和电流，阻断状态时能承受一定电压，导通时匀许通过一定的电流；（3）具有较高的开关频率，在开关状态转换时具有足够短的导通时间和关断时间，并能承受高的di/dt和dv/dt。目前在PWM整流器中得到广泛应用的电力电子器件主要有如下几种： 1.1.1门极可关断晶闸管(GTO) GTO是最早的大功率自关断器件，是目前承受电压最高和流过电流最大的全控型器件。它能由门极控制导通和关断，具有通过电流大、管压降低、导通损耗小， dv/dt耐量高等优点，目前已达6KV/6KA的应用水平，在大功率的场合应用较多。但是GTO的缺点也很明显，驱动电路复杂并且驱动功率大，导致关断时间长，限制了器件的开关频率；关断过程中的集肤效应容易导致局部过热，严重情况下使器件失效；为了限制dv/dt，需要复杂的缓冲电路，这些都限制了 GTO在各个领域的应用，现在GTO主要应用在中、大功率场合。 1.1.2电力晶体管（GTR） 电力场效应管又称为巨型晶体管，是一种耐高压、大电流的双极结型晶体管，该器件与GTO一样都是电流控制型器件，因而所需驱动功率较大，但其开关频率要高于GTO，因而自20世纪80年代以来，主要应用于中小功率的变频器或UPS电源等场合。目前其地位大多被绝缘栅双极晶体管(IGBT)和电力场效应管（Power MOSFET）所取代。 1.1.3电力场效应管（Power MOSFET） 电力场效应管是用栅极电压来控制漏极电流的，属于电压控制型器件，因此它的第一个显著特点是驱动电路简单，需要的驱动功率小。其第二个显著特点是开关速度快，工作频率高。另外Power MOSFET的热稳定性优于GTR。但是Power MOSFET电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的场合。 1.1.4绝缘栅双极晶体管(IGBT) IGBT是后起之秀，将MOSFET和GTR的优点于一身，既具有MOSFET的输入阻抗高、开关速度快的优点，又具有GTR耐压高、流过电流大的优点，是目前中等功率电力电子装置中的主流器件。目前的应用水平已经达到3.3KV/1.2KA。栅极为电压驱动，所需驱动功率小，开关损耗小、工作频率高，不需缓冲电路，适用于较高频率的场合。其主要缺点是高压IGBT内阻大，通态压降大，导致导通损耗大；在应用于高（中）压领域时，通常需要多个串联。 1.1.5集成门极换流晶闸管(IGCT)和对称门极换流晶闸管(SGCT) IGCT是在GTO的基础上发展起来的新型复合器件，兼有MOSFET和GTO两者的优点，又克服了两者的不足之处，是一种较为理想的兆瓦级、高（中）压开关器件。与MOSFET相比，IGCT通态压降更小，承受电压更高，通过电流更大；与GTO相比，通态压降和开关损耗进一步降低，同时使触发电流和通态时所需的门极电流大大减小角，有效地提高了系统的开关速度。IGCT采用的低电感封装技术使得其在感性负载下的开通特性得到显著改善。与GTO相比， IGCT的体积更小，便于和反向续流二极管集成在一起，这样就大大简化了电压型PWM整流器的结构，提高了装置的可靠性。其改进形式之一称为对称门极换流晶闸管(SGCT)，两者的特性相似，不同之处是SGCT可双向控制电压，主要应用于电流型PWM中。目前，两者的应用水平已经达到6KV/6KA。 1.2PWM整流器的主电路拓扑结构 PWM整流器根据主电路中开关器件的多少可以分为单开关型和多开关型；根据输入电源相数可以分为单相PWM整流电路和三相整流电路；根据输出要求可以分为电压源和电流源型。下面介绍几种常见的三相PWM整流电路的拓扑结构并简要分析它们的工作特性。 1.2.1三相单开关PWM整流电路 三相单开关PWM整流器的主电路拓朴结构主要有如下几种： 1. 单开关Boost型（升压型）：其输出电压恒定，工作于电流断续模式（DCM），这种电路结构简单，在PWM整流电路中应用广泛。 2. 单开关Buck型（降压型）：与升压型成对偶关系，其输出电流恒定，输出电压较低，仍然工作于断续电流模式（DCM）。 1.2.2三相多开关PWM整流电路 三相多开关PWM整流器的主电路拓朴结构主要有如下几种： 1. 六开关Boost型：也可称为两电平电压型整流器或三相桥式可逆PWM整流器。每个桥臂上的可关断开关管都带有反并联二极管，可以实现能量的双向流动，每只开关管的导通作用，一般都是使交流侧滤波电感L蓄积磁能，而在开关管关断时，迫使电感产生较高的电压Ldi/dt，通过另一桥臂的续流二极管向直流侧释放磁能。因此，从广义上讲，这种桥式PWM可逆整流器拓扑，仍属于升压式结构。六开关Boost型PWM整流器的特点是结构简单且宜于实现有源逆变，因而是目前应用和研究最为活跃的一种类型，也是多开关PWM整流电路中应用最为广泛的一种。 2. 六开关Buck型：也可称为两电平电流型整流器，直流侧电抗器一般要求很大。由于电流型变换器的特点，交流侧输入LC滤波器通常是必不可少的，以改善电流波形和功率因数。这种电路拓朴较适合于空间矢量调制，且有降压作用。其缺点是由于直流侧大电感内阻较大，消耗功率较大导致其效率略低于六开关Boost型。 3. 三电平PWM整流电路 在大功率PWM变流装置中，常采用拓朴结构的三点式电路，这种电路也称为中点钳位型(Neutral Point Clamped) 电路。与两点式PWM相比，三点式PWM调制波的主要优点，一是对于同样的基波与谐波要求而言，开关频率低得多，从而可以大幅度降低开关损耗；二是每个主开关器件关断时所承受的电压仅为直流侧电压的一半，因此这种电路特别适合于高电压大容量的应用场合。不过三点式PWM可逆整流器的缺点也是显而易见的，一方面其主电路拓扑使用功率开关器件较多，另一方面，控制也比两点式复杂，尤其是需要解决中点电位平衡问题。 从上面的分析可以知道，单开关主电路拓朴结构的共同优点在于，控制结构简单，易于实现，且电源工作工作可靠性高；缺点在于其应用场合受到开关器件的影响，开关器件的耐压水平高低和开关频率的高低限制了这种电路的应用，其主要应用于中小功率的变频器或UPS电源。 与单开关结构的PWM整流器相比，多开关PWM整流电路的共同优点在于功率因数高，谐波失真小，可实现能量的双向流动，调节速度快，应用范围宽，主要应用于中大功率场合。缺点也很突出，电路结构复杂，控制难度大，而且需要检测和控制的点较多，提高了控制成本；器件的增多也降低了系统的可靠性。但由于其性能指标要高于单开关结构的PWM整流器，且可实现能量<