全数字单相三电平整流器控制电路设计_整流电路技术

全数字单相三电平整流器控制电路设计

点击数：7350 次录入时间：03-04 11:43:15 整理：http://www.55dianzi.com 整流电路技术

摘要：三电平整流器由于其独特的优点，受到了越来越多的重视。介绍了三电平桥式整流器的工作原理，并用数字信号处理器对其控制系统进行了实现，说明了全数字控制系统的硬件设计和软件设计的方法。仿真和实验结果验证了理论研究的结果。

关键词：数字信号处理器；三电平；PWM整流器；功率因数校正

0 引言

三电平（ThreeLevel，TL）整流器是一种可用于高压大功率的PWM整流器，具有功率因数接近1，且开关电压应力比两电平减小一半的优点。文献[1]及[2]提到一种三电平Boost电路，用于对整流桥进行功率因数校正，但由于二极管整流电路的不可逆性，无法实现功率流的双向流动。文献[3]，[4]及[5]提到了几种三电平PWM整流器，尽管实现了三电平，但开关管上电压应力减少一半的优点没有实现。三电平整流器尽管比两电平整流器开关数量多，控制复杂，但其具有两电平整流器所不具备的特点：

1）电平数的增加使之具有更小的直流侧电压脉动和更佳的动态性能，在开关频率很低时，如300～500Hz就能满足对电流谐波的要求；

2）电平数的增加也使电源侧电流比两电平中的电流更接近正弦，且随着电平数的增加，正弦性越好，功率因数更高；

3）开关的增加也有利于降低开关管上的电压压应力，提高装置工作的稳定性，适用于对电压要求较高的场合。

1 TL整流器工作原理

TL整流器主电路如图1所示，由8个开关管V₁₁～V₄₂组成三电平桥式电路。假定u₁=u₂=u_d/2，则每只开关管将承担直流侧电压的一半。

图1 TL整流器主电路

以左半桥臂为例，1态时，当电流i_s为正值时，电流从A点流经VD₁₁及VD₁₂到输出端；当i_s为负值时，电流从A点流经V₁₁及V₁₂到输出端，因此，无论i_s为何值，均有u_AG=u_CG=＋u_d/2，D₁防止了电容C₁被V₁₁(VD₁₁)短接。同理，在0态时，有u_AG=0；在－1态时，有u_AG=u_DG=－u_d/2，D₂防止了电容C₂被V₂₂(VD₂₂)短接。

右半桥臂原理类似，因此A及B端电压波形如图2所示，从而在交流侧电压u_AB上产生五个电平：＋u_d，＋u_d/2，0，－u_d/2，－u_d。

图2 TL整流器波形

每个半桥均有三种工作状态，整个TL桥共有3²=9个状态。分别如下：

状态0(1,1) 开关管V₁₁，V₁₂，V₃₁，V₃₂开通，变换器交流侧电压u_AB等于0，电容通过直流侧负载放电，线路电流i_s的大小随主电路电压u_s的变化而增加或减小。

状态1(1,0) 开关管V₁₁，V₁₂，V₃₂，V₄₁开通，交流侧输入电压u_AB等于u_d/2，输入端电感电压等于u_s－u₁。电容C₁电压被正向(或反向)电流充电(u₁<u_s，或放电u_s<u₁)，C₂通过直流侧负载放电。

状态2(1,－1) 开关管V₁₁，V₁₂，V₄₁，V₄₂开通，输入电压u_AB=u_d，正向(或反向)电流对电容C₁及C₂充电(或放电)，由于输入电感电压反向，电流i_s逐渐减小。

状态3(0,1) 开关管V₁₂，V₂₁，V₃₁，V₃₂开通，交流侧输入电压u_AB等于－u_d/2，输入电感上电压等于u_s＋u₁。电容电压被正向(或反向)电流充电(或放电)。

状态4(0,0) 开关管V₁₂，V₂₁，V₃₂，V₄₁开通，输入端电压为0，电容通过直流侧负载放电，线路电流i_s的大小随主电路电压u_s的变化而增加或减小。

状态5(0,－1) 开关管V₁₂，V₂₁，V₄₁，V₄₂开通，交流侧电压为u_d/2，正向(或反向)电流对电容C₂充电(或放电)，电容C₁通过负载电流放电。

状态6(－1,1) 开关管V₂₁，V₂₂，V₃₁，V₃₂开通，u_AB=－u_d，正向(或反向)线电流对两个电容C₁及C₂充电(或放电)，由于升压电感电压正向，线电流将逐渐增加。

状态7(－1,0) 开关管V₂₁，V₂₂，V₃₂，V₄₁开通，交流侧电压电平为－u_d/2，正向(或反向)电流对电容C₂充电(或放电)，电容C₁通过负载电流放电。

状态8(－1,－1) 开关管V₂₁，V₂₂，V₄₁，V₄₂开通，输入端电压为0，升压电感电压等于u_s，两个电容C₁及C₂均通过负载电流放电。电流i_s根据电压u_s的变化而增加(或减小)。

2 硬件电路设计

从图2可以看出，在输入电压频率恒定的情况下，要在变换器交流侧产生一个三电平电压波形，输入电压一个周期内应定义两个操作范围：区域1和区域2，如图3所示。

图3 工作区域

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在区域1，电压大于－u_d/2，并且小于u_d/2，在电压u_AB上产生三个电平：－u_d/2，0，u_d/2。同理，在区域2，电压绝对值大于u_d/2，并小于直流侧电压u_d，在电压正半周期(或负半周期)上产生两个电平：u_d/2和u_d(或－u_d/2和－u_d)。相应电平的工作区域如表1所列。