全數(shù)字單相三電平整流器控制電路設(shè)計(jì)

摘要：三電平整流器由于其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，受到了越來(lái)越多的重視。介紹了三電平橋式整流器的工作原理，并用數(shù)字信號(hào)處理器對(duì)其控制系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)，說(shuō)明了全數(shù)字控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)的方法。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理論研究的結(jié)果。

關(guān)鍵詞：數(shù)字信號(hào)處理器；三電平；PWM整流器；功率因數(shù)校正

0 引言

三電平（ThreeLevel，TL）整流器是一種可用于高壓大功率的PWM整流器，具有功率因數(shù)接近1，且開(kāi)關(guān)電壓應(yīng)力比兩電平減小一半的優(yōu)點(diǎn)。文獻(xiàn)[1]及[2]提到一種三電平Boost電路，用于對(duì)整流橋進(jìn)行功率因數(shù)校正，但由于二極管整流電路的不可逆性，無(wú)法實(shí)現(xiàn)功率流的雙向流動(dòng)。文獻(xiàn)[3]，[4]及[5]提到了幾種三電平PWM整流器，盡管實(shí)現(xiàn)了三電平，但開(kāi)關(guān)管上電壓應(yīng)力減少一半的優(yōu)點(diǎn)沒(méi)有實(shí)現(xiàn)。三電平整流器盡管比兩電平整流器開(kāi)關(guān)數(shù)量多，控制復(fù)雜，但其具有兩電平整流器所不具備的特點(diǎn)：

1）電平數(shù)的增加使之具有更小的直流側(cè)電壓脈動(dòng)和更佳的動(dòng)態(tài)性能，在開(kāi)關(guān)頻率很低時(shí)，如300～500Hz就能滿足對(duì)電流諧波的要求；

2）電平數(shù)的增加也使電源側(cè)電流比兩電平中的電流更接近正弦，且隨著電平數(shù)的增加，正弦性越好，功率因數(shù)更高；

3）開(kāi)關(guān)的增加也有利于降低開(kāi)關(guān)管上的電壓壓應(yīng)力，提高裝置工作的穩(wěn)定性，適用于對(duì)電壓要求較高的場(chǎng)合。

1 TL整流器工作原理

TL整流器主電路如圖1所示，由8個(gè)開(kāi)關(guān)管V₁₁～V₄₂組成三電平橋式電路。假定u₁=u₂=u_d/2，則每只開(kāi)關(guān)管將承擔(dān)直流側(cè)電壓的一半。

圖1 TL整流器主電路

以左半橋臂為例，1態(tài)時(shí)，當(dāng)電流i_s為正值時(shí)，電流從A點(diǎn)流經(jīng)VD₁₁及VD₁₂到輸出端；當(dāng)i_s為負(fù)值時(shí)，電流從A點(diǎn)流經(jīng)V₁₁及V₁₂到輸出端，因此，無(wú)論i_s為何值，均有u_AG=u_CG=＋u_d/2，D₁防止了電容C₁被V₁₁(VD₁₁)短接。同理，在0態(tài)時(shí)，有u_AG=0；在－1態(tài)時(shí)，有u_AG=u_DG=－u_d/2，D₂防止了電容C₂被V₂₂(VD₂₂)短接。

右半橋臂原理類(lèi)似，因此A及B端電壓波形如圖2所示，從而在交流側(cè)電壓u_AB上產(chǎn)生五個(gè)電平：＋u_d，＋u_d/2，0，－u_d/2，－u_d。

圖2 TL整流器波形

每個(gè)半橋均有三種工作狀態(tài)，整個(gè)TL橋共有3²=9個(gè)狀態(tài)。分別如下：

狀態(tài)0(1,1) 開(kāi)關(guān)管V₁₁，V₁₂，V₃₁，V₃₂開(kāi)通，變換器交流側(cè)電壓u_AB等于0，電容通過(guò)直流側(cè)負(fù)載放電，線路電流i_s的大小隨主電路電壓u_s的變化而增加或減小。

狀態(tài)1(1,0) 開(kāi)關(guān)管V₁₁，V₁₂，V₃₂，V₄₁開(kāi)通，交流側(cè)輸入電壓u_AB等于u_d/2，輸入端電感電壓等于u_s－u₁。電容C₁電壓被正向(或反向)電流充電(u₁u_s，或放電u_su₁)，C₂通過(guò)直流側(cè)負(fù)載放電。

狀態(tài)2(1,－1) 開(kāi)關(guān)管V₁₁，V₁₂，V₄₁，V₄₂開(kāi)通，輸入電壓u_AB=u_d，正向(或反向)電流對(duì)電容C₁及C₂充電(或放電)，由于輸入電感電壓反向，電流i_s逐漸減小。

狀態(tài)3(0,1) 開(kāi)關(guān)管V₁₂，V₂₁，V₃₁，V₃₂開(kāi)通，交流側(cè)輸入電壓u_AB等于－u_d/2，輸入電感上電壓等于u_s＋u₁。電容電壓被正向(或反向)電流充電(或放電)。

狀態(tài)4(0,0) 開(kāi)關(guān)管V₁₂，V₂₁，V₃₂，V₄₁開(kāi)通，輸入端電壓為0，電容通過(guò)直流側(cè)負(fù)載放電，線路電流i_s的大小隨主電路電壓u_s的變化而增加或減小。

狀態(tài)5(0,－1) 開(kāi)關(guān)管V₁₂，V₂₁，V₄₁，V₄₂開(kāi)通，交流側(cè)電壓為u_d/2，正向(或反向)電流對(duì)電容C₂充電(或放電)，電容C₁通過(guò)負(fù)載電流放電。

狀態(tài)6(－1,1) 開(kāi)關(guān)管V₂₁，V₂₂，V₃₁，V₃₂開(kāi)通，u_AB=－u_d，正向(或反向)線電流對(duì)兩個(gè)電容C₁及C₂充電(或放電)，由于升壓電感電壓正向，線電流將逐漸增加。

狀態(tài)7(－1,0) 開(kāi)關(guān)管V₂₁，V₂₂，V₃₂，V₄₁開(kāi)通，交流側(cè)電壓電平為－u_d/2，正向(或反向)電流對(duì)電容C₂充電(或放電)，電容C₁通過(guò)負(fù)載電流放電。

狀態(tài)8(－1,－1) 開(kāi)關(guān)管V₂₁，V₂₂，V₄₁，V₄₂開(kāi)通，輸入端電壓為0，升壓電感電壓等于u_s，兩個(gè)電容C₁及C₂均通過(guò)負(fù)載電流放電。電流i_s根據(jù)電壓u_s的變化而增加(或減小)。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

從圖2可以看出，在輸入電壓頻率恒定的情況下，要在變換器交流側(cè)產(chǎn)生一個(gè)三電平電壓波形，輸入電壓一個(gè)周期內(nèi)應(yīng)定義兩個(gè)操作范圍：區(qū)域1和區(qū)域2，如圖3所示。

圖3 工作區(qū)域