一种三相三电平整流器在变频空调中的应用

王男，陆飞，杨喜军，郑水波，尹德斌

(1.电力传输与功率变换控制教育部重点实验室，上海交通大学电气工程系，上海 200240;2.新华自动化科技发展(上海)有限公司，上海 200240)

0 引言

随着电力电子变换器应用的日益普遍，在电网中产生了大量的谐波电流和无功损耗。为提高电能质量，抑制网侧谐波含量[1－3]，调节功率因数，提高电能利用率，在单相和三相交流供电领域，越来越多的现有不控整流器逐渐采用功率因数校正器(PFC)技术[3]。单相功率因数校正器的电路结构和控制技术日趋成熟，但由于功率等级的不断提高，单相PFC已不能满足大功率需求。当需要采用三相PFC作为前置整流变换器时，可以采用传统六开关PWM整流器，但是这种PWM整流器的设计较为复杂，实现成本也非常高，目前尚未得到广泛应用[4]。本文理论分析和仿真分析了一种由两个单相三电平整流器构成的三相三电平整流器[4]，采用了类似单相PFC的双环控制策略和错相控制，并着手应用于三相208 V交流电压供电的变频空调的设计中，获得了单位输入功率因数。

1 三相三电平整流器

1.1 单相三电平整流器

图1给出了单相三电平整流器拓扑[5]，包括单相交流电压源、单相升压电感、H桥结构功率器件阵列和直流储能滤波环节。功率器件阵列由两只晶闸管(V1、V2)、两只逆导型开关组成(S1与FWD1、S2与FWD2)。图1中，采用单相正弦交流电源输入。在电路进入稳态以后，当电压为正时，V1接受电流触发脉冲导通，此时如果 S1接受电压触发脉冲导通，则电源为 L1充电。当S1关断时，L1和单相电源通过 D1为 E1充电。当电压为负时，V2导通，此时如果S2导通时，则电源为 L1充电。当 S2关断时，L1和电源给E2充电。

由于功率等级的不断提高，单相PFC已不能满足大功率需求。因此需要采用三相PFC[6－7]作为前置整流变换器，可采用三组单相PFC构成一组三相 PFC，如图2所示[4]。这种三相 PFC仍然属于升压型AC－DC变换器，由三相交流电压源供电。由于存在中性线，可由三组单相PFC独立调节三相输入电流，经过分析得出各组单相PFC之间没有换流问题，有利于实现均流控制。

与传统三相 PFC[8](即 PWM整流器)相比，这种新型三相PFC具有如下特点:

(1)由三组单相PFC构成，每组单相PFC可单独控制，没有换流问题，控制技术成熟，稳态时中线电流为零。如果其中一相出现故障，另两相可继续工作，为负载供电，此时中线电流不为零。

图1 单相三电平整流器

(2)采用的功率器件较多，成本较高，散热设计困难，不适合在家用变频空调采用。

图2 三相三电平整流器(包含三组单相三电平整流器)

1.2 三相三电平整流器

为克服上述不足，分析和设计了一种由两个单相三电平整流器构成的三相三电平整流器，如图 3所示，具有单位输入功率因数功能，可见功率器件较少，控制简单，成本便于控制。

1.2.1 拓扑结构

图3中包含有两组经过适当改造后的单相三电平整流器电路，输出采取并联方式[4]。在每一部分中，包含四只桥接的晶闸管、两只升压电感、两只逆导型功率器件以及两只快速恢复二极管。

图3 三相三电平整流器(包含改造后的两组单相三电平整流器)

图 3中，V1a与V2a、V1c与V2c分别控制A相与C相电流波形，每一部分的控制原理均与单相三电平整流器的控制原理 相 同。V1b、 V2b、V3b与 V4b用于控制B相电流波形和开关器件的选择。同样，由于存在中性线，三相输入电流可独立调节，不存在均流问题。

1.2.2 基本原理

将三相输入电压按照“X”型进行区间划分，在每个电源周期中得到六个区域，如图4所示。

当每相电压为正时，各相的晶闸管H桥上管导通，即A相V1a通，C相V1c导通。B相相电压绝对值最大时，上下两个晶闸管H桥上管均导通，即V1b和 V3b通。A相绝对值最大时，B相上H桥的上管通[4]。C相绝对值最大时，B相下H桥的上管导通。相电压为负 时 ，与此同理。可得出晶闸管导通组合，如表1所示，其中“1”表示导通，“0”表示关断。

图4 三相输入电压区间划分

表1 晶闸管导通组合

因此，可以推出L1～L4参考电流波形。以L1为例进行说明。在 Z1～ Z3区间，V1a导通，则:

在 Z4区间，V2a、V2c、V1b、V3b导通，可得:

为便于控制，令:

在 Z5区间，V1b通，则:

在 Z6区间，V1a，V1b均关断，则:

同理，可得L2～L4的电流波形，各个电感的电流波形如表2所示。L1充电。S1关断时，电流流通路径为:A→V1a→L1→D1→E1→N，电源和L1给E1充电。C相电流的流通原理与A相相同。

表2 各个电感的参考电流波形

当S2和S4导通时，B相电流流通路径分别为:B→N→S2→L2→V2b→B，B→N→S4→L4→V4b→B。电源分别为 L2和 L4充电。当 S2和 S4关断时，电流流通路径为:B→N→E2→D2→L2→V2b，B→N→E2→D4→L4→V4b，电源分别为电感 L2和 L4充电。其它五个区间的工作原理与此相同。

1.3 控制策略

为了获得单位输入功率的同时，能够实现稳定的输出直流电压，最直接有效的方法是采用双环控制原理[9]。电流内环使输入电流接近正弦波，电压外环可以使输出电压稳定。

在电压闭环环节，输出电压经电阻分压取样，与参考电压相减，送入误差滤波放大器的滤波环节后，得到参考电流。在电流闭环环节，参考电流与实际检测滤波后的电感电流求差后，进行PID调节，达到最终控制量。最终控制量与三角波进行比较，得到原始PWM脉冲，作为IGBT的驱动信号。

功率器件的控制采取错相控制原理，每个IGBT的调制波信号相差90°。因此整个控制电路包括两个电压闭环和四个电流闭环。错相控制可以使得电感纹波电流存在相位差，相互抵消，降低输入端的总电流纹波。

2 仿真分析

图 5为仿真框图，包括功率电路和控制电路，采用双闭环控制算法，即电压外环和电流内环。电解电容E1、E2、E3均为1 360μF。三相交流电源采用美国标准，输入电压为单相120 V，三相208 V，工频60 Hz。期望输出直流电压为385 V，最大阻性负载功率为5.5 kW。开关频率为20 kHz。

负载为3.5 kW时，输入电压与输入电流的仿真波形如图6所示，电解电容E1、E2与E3的电压波形为如图7所示，E1与 E2电压之和为E3电压，直流电压平均值为385 V，纹波电压最大峰值低于1 V。电感L1、L2、L3和L4的电流波形为如图8所示。

负载为5.5 kW时，输入电压与电流波形如图9所示，直流电压平均值为385 V，纹波电压峰峰值低于1 V。

3 结束语

本文分析了一种由两只三电平单相整流器构成的三相三电平整流器工作原理，并进行仿真分析。将其应用到变频空调的整流器设计中，采用传统单相PFC的电压外环和电流内环的双环控制、错相控制进行了理论分析和仿真分析，结果表明这种三相三电平整流器具有设计容易、单位输入功率因数等优点，没有电感均流和输出均压问题。

[1]IEC61000-3-2:1995.Electromagnetic compatibility Part3[S].

[2]IEC61000-3-12:2005.Electromagnetic compatibility(EMC)Part3-2[S].

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