单周期控制三相VIENNA整流器

冯鑫振，高 捷

（1.华中科技大学电气与电子工程学院，强电磁工程与新技术国家重点实验室，湖北 武汉430074；2.中国舰船研究设计中心，湖北 武汉430064）

0 引 言

随着电力电子装置的广泛应用，电力系统的电能质量问题引起了很大的关注。传统的二极管不控整流和晶闸管相控整流，对电网造成了严重的谐波污染。应用于功率因数校正的三相整流器，在拓扑和控制方面已经进行了很多研究［1－3］，其中包括一些基于串联双升压电路拓扑演变而来的整流电路［4］。实现单位功率因数，减少电流的畸变是PFC电路的主要目标。相比三相PWM整流器，VIENNA整流器具有结构简单，效率高，交流侧滤波器尺寸小，成本低等优点［5］。传统的直接电流控制需要检测电网电压，通过乘法器产生输入电流给定信号，这样就会使系统变得比较复杂，乘法器的非线性失真也会造成输入电流的谐波畸变。鉴于此，美国学者Keyue M Smedley首次提出了单周期控制技术，它是一种不需要乘法器的非线性控制技术，利用复位积分器使被控量在一个开关周期内跟踪给定量。这种方案具有开关频率恒定，动态响应快、鲁棒性强、易于实现等优点［6］。

本文对基于单周期控制的VIENNA整流器进行研究，推导单周期控制的VIENNA整流器的新型控制规律，控制电路仅使用一个积分器，不需要乘法器和电压检测。在电网相电压周期每60°区间内，仅有两个开关管工作于高频通断状态，因此，开关损耗大为减少。系统成本也可以得到适度控制，有利于在工程实践中应用。

1 系统结构与工作原理

为简化推导过程，特作如下假设：①电网电压三相对称，内阻为零；②各相电感相等，即La＝Lb＝Lc＝L；③开关频率远远大于电网频率；④忽略功率器件的导通压降和开关损耗，忽略分布参数的影响。

图1给出了三相VIENNA整流器的电路原理图。一个周期内三相电网电压的波形如图2所示。通过虚线将其分为六个区间，依据六阶段PWM控制技术原理，三相整流器可通过在每60°区间内控制两个开关管的通断来实现单位功率因数［7］。在图2中的（－30°～30°）区间内，双向开关管Sa一直处于导通状态，通过对开关管Sb和Sc高频通断控制，就能够使相电流iLb和iLc跟踪相电压Ub和Uc。由三相电路对称可得Ua＋Ub＋Uc＝0，ia＋ib＋ic＝0，因此相电流ia就可以跟踪相电压Ua，从而实现单位功率因数。对于其它区间也可进行类似的分析。三相VIENNA整流器在相电压的每60°区间可解耦成图3所示的串联双升压拓扑结构［8］。图中Tp和Tn为不同区间对应的开关，Up和Un为不同区间对应的等效电压。对于图3所示电路Tp和Tn有四种开关组合，分别为：①Tp导通，Tn导通；②Tp导通，Tp关断；③Tp关断，Tn导通；④Tp关断，Tn关断。对应如图4所示的等效电路。

在固定开关频率的控制电路中，每个开关周期都会有两种可能的开关序列，比如状态1，2，4（dp＜dn）或者是1，3，4（dp＞dn），其中dp和dn分别为开关Tp和Tn的占空比。由假设开关频率远远大于电网频率，从而串联双升压电路拓扑可以看成一个dc－dc变换器，由电压伏秒平衡原理知电感电压平均值为零。可以推出：

对于平衡的三相系统，公式（2）成立：

从而公式（1）可以简化为：

同样可以证明，对于另一种开关序列1，3，4，公式（3）依然成立。公式（3）给出了当串联型双升压拓扑运行于连续导通模式（CCM）时，占空比和输入、输出电压之间的关系。

2 三相PFC控制器实现

为了实现三相VIENNA整流器的单位功率因数，需要达到在一个开关周期内每相电流跟随输入相电压的控制目标［7］。表示为：

式中，Re代表反应负载电流的等效电阻。基于以上理论分析，由公式（3）可以将控制目标简化为：

把公式（5）代入公式（3）可以解出实现三相VIENNA整流器单位功率因数校正的关键函数。

图1 三相VIENNA整流器

图2 标准三相电网电压波形

图3 串联双升压电路拓扑

图4 串联双升压电路在四种开关状态时等效电路

式中，Rs代表等效的电流检测电阻，代表反馈电压环的输出。使用带复位开关的实时积分器和一些线性网络（例如时钟、比较器、加法器、触发器［8］）就能够实现单位功率因数的控制目标。在电网周期的每60°区间，都需要改变输入电流检测对象和控制不同的开关通断，因此还需要多路开关转换电路、区间选择电路和输出逻辑电路。图5为实现式（6）给出的PFC函数的单周期控制模块。

图5 实现三相PFC函数的单周期控制框图

3 系统的仿真分析

本文通过 MATLAB/Simulink仿真软件对三相VIENNA整流器进行仿真，仿真结果验证了控制方案的可行性。仿真参数设置如下：电网相电压为180 V，输入滤波电感为L＝4 mH，直流侧电容C1＝C2＝1000μF，负载电阻为R＝100Ω，三相交流电压频率为50 Hz。

图6为A相输入电压和电流的波形，由FFT分析可得电流的THD为3.96%，功率因数可以控制在0.99左右。由图可以看出相电流能很好地跟踪输入相电压，该系统能够实现单位功率因数。从图6能够看出，输入电流存在一定的畸变，原因在于每个60°区间，线电流从一相切换到另一相切换过程中出现的瞬态响应。图7为输出直流侧电压波形。

图6 A相电压和电流波形

图7 负载侧电压波形

4 结 论

本文详细分析了单周期控制三相VIENNA整流器的工作原理与控制规律，将三相VIENNA整流器解耦为串联升压的拓扑结构，控制电路通过一个积分器和一些逻辑电路就能够解决推导的线性函数，从而可以实现单位功率因数和产生较低电流畸变。该控制器具有结构简单，开关频率恒定，不需要乘法器等优点。在一个开关周期的每60°区间内，仅有两个开关工作于高频开关状态，开关损耗明显减少。仿真结果验证了理论分析的正确性。

［1］ Schenk K，Cuk S.A simple three－phase power factor corrector with improved harmonic distortion［J］.PEPSC1997，1：399－405.

［2］ 孙友涛，曾 立，唐 军.单周期控制三相PWM整流器电压环小信号模型［J］.通信电源技术，2005，22（6）：21－23.

［3］ 张纯江，顾和荣，赵清林，等.单周期控制无乘法器三相电压型PWM 整流流器［J］.电工技术学报，2003，18（6）：28－32.

［4］ Salmon J C.Reliable 3－phase PWM boost rectifiers employing a series－connected dual boost converter sub－topology［J］.IAS’1994，1，2：781.

［5］ Tero Viitanen，Heikki Tuusa.A State Power Loss Consideration of the 50 kW VIENNA I and PWM Full bridge Three phase Rectifier［C］.IEEE，2002：915－920.

［6］ Smedley K M，Cuk S.One－cycle control of switching converters［J］.IEEE Transactions ON Power Electronics，1995，10（6）：625－633.

［7］ 张占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计［M］.北京：电子工业出版社，1998.

［8］ QIAO C，SMEDLEY K M.A general three－phase PFC controller for rectifiers with a parallel－connected dual boost topology［J］.IEEE Trans Power Electron，2002，17（6）：925－934.