高功率因数机载三相VIENNA整流器研究

胡国光 戴钱坤 邹晓渔

（1.海军驻上海地区军事代表局无锡214063）（2.中国航空工业集团公司雷华电子技术研究所无锡214063）

高功率因数机载三相VIENNA整流器研究

胡国光1戴钱坤2邹晓渔2

（1.海军驻上海地区军事代表局无锡214063）（2.中国航空工业集团公司雷华电子技术研究所无锡214063）

随着越来越多的机载用电设备采用开关式电源，三相电流总谐波含量（THD）越来越大，对飞机电网造成了很大的谐波污染，并且严重地降低了三相电源的功率因数，因此，三相功率因数校正（PFC）技术解决电力污染方面扮演着越来越重要的作用，成为近年来研究热点。论文研究了机载三相VIENNA整流器，对其采用单周期控制方法，最后实现了三相功率因数校正电路。仿真与实验结果表明该电路在三相功率因数校正方面有着良好的效果，在中小功率机载雷达上具有广泛应用前景。

机载电源；三相整流器；功率因数校正（PFC）；单周期控制

Class NumberTM11

1 引言

机载雷达交流供电系统一般采用三相115VAC/400Hz供电方式，而传统的AC-DC电源采用的不控整流技术会在电源输入端产生很大的电流尖峰，造成严重的电磁干扰，同时导致功率因数很低，谐波污染严重，带来了很大的无功功率损耗引起设备发热等损害。而三相功率因数校正（PFC）技术可以大大改善机载雷达的电源线传导发射，同时抑制三相电源系统中的电流谐波含量［1～4］。而研究如何使机载雷达设备同时满足GJB151A-97《军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求》和GJB181-86《飞机供电特性》中对输入电流谐波含量要求是目前研究的热点和难点。

三相VIENNA技术是一种新型的三相有源功率因数校正技术［5～8］，其具有功率因数校正效果好，三相电流谐波含量更小，并且其体积小，重量轻，效率高等特点，在中小功率雷达使用中具有广泛的应用前景。相比较三相无源功率因数校正技术，其输入电流谐波含量更低，低频谐波分量较少，更有利于雷达电源在通过CE101和CE102的电磁兼容性测试。

本文在研究三相VIENNA电路工作原理的基础上，分析了采用模拟电路的单周期控制［9～12］在三相VIENNA电路上的应用方式，相比较数字实现方式，模拟电路开关频率更高，体积重量可以更小，最后对该电路进行了仿真和试验。

2 三相VIENNA电路原理

三相VIENNA电路电路拓扑如图1所示。由于电路的对称性，电容中点电位和电网中线的电位近似相同，实际电路中将其短接，中线通过电容中点引出来实现了三相四线。通过双向开关S1、S2、S3可分别控制对应相上的电流。

三相VIENNA电路可以等效为三个单相PFC电路，相当于三个独立的单相PFC电路输出并联。因此就可以通过对每相电路单独控制实现电路的功率因数校正。

可以通过分析单相PFC电路工作原理来了解整个三相VIENNA电路的工作原理：以A相为例，当开关S1合上时，对应电感L1的电流幅值增大，开关断开时对应桥臂上的二极管导通，如果输入正弦电压υA为正值，上臂二极管D1导通，输出电流给电容D1充电；输入电压为负时，下臂二极管D2导通，输出电流给电容D2充电。电感电流通过二极管向负载输出电流，同时电感上的电流幅值减小，从而实现对电流的控制。因此该电路拓扑是一个boost型的升压电路，具有和传统boost电路相同的PFC效果。实际电路中并没有单个现成的双向开关管，需要使用分立元件组合：由四个二极管和一个开关管构成，特点是只需要一个开关管就能实现双向开关工作，有助于控制电路的设计。无论电压方向如何，电流都可以从开关管单向流过。

3 单周期控制策略

图2所示为三相VIENNA电路控制结构图，通过采样每一相输入电流和总的输出电压，分别对每一相电路进行单周期控制，然后输出端并联输出电压实现整个控制过程。单周期控制简化了控制电路结构，避免对输入电压采样和使用复杂的模拟乘法器。

单周控制的核心是带复位端的积分器，该控制技术的核心思想是在每一个开关周期内使受控量的平均值等于或正比于参考量。这样单周控制技术可以扩展为通用的控制理论，理论上可以应用于任何形式的开关变换器。

PFC电路的控制目的是要使得输入电流Iin的工频波形跟随输入电压波形Vin，由功率因数定义可知，要实现功率因数校正必须满足式（1）

式中Re为变换器的输入阻抗。如果在任一个开关周期内，Re都可等效为一个纯电阻，则功率因数PF=1。设Vo为输出电压，Rs为输入采样电阻，Rs和Re都是常数，令：

当输出滤波电容C足够大时，输出电压Vo、Vm可以看作常数。由上式可知，变换器的输入端阻抗等效为一个纯电阻，Iin总是跟随Vin。当输入电压为正弦波时，使输入电流波形与输入电压的周期和

将式（1）代入到式（2）中，则可得：相位均相同的正弦波，从而实现功率因数接近1。由于在一个开关周期内Boost变换器的输入电压与输出电压的关系可以表示为

将式（3）代入到式（4）中，其控制目标方程可以表示为

式（5）的原理如果能用实际应用电路来实现，则输入电流就能够跟踪输入电压，实现功率因数校正。Vm在理论上是与Vo成比例的直流电压，若占空比D可以满足式（5），则可以保证输入电流波形与输入电压波形成比例并同相位，以实现PFC功能。设变换器的开关周期为T，构造单周期控制方程组如下

由控制方程组（6）可知，只要通过电路实现V1(t)和V2(t)的比较即可确定占空比D。

图3 所示为实现单周期控制电路框图，其中积分项由带有复位开关的积分环节实现。电压采样电路采样输出电压在经过PI调节器后得到电压Vm，Vm在一个周期内积分得到V2(t)，电流采样调理电路通过采样电阻Rs得到电流采样调理信号，再和Vm作差得到V1(t)。通过比较器比较V1(t)和V2(t)，当二者相等时，通过触发器输出占空比信号给驱动电路工作，在每个周期结束后将积分电路复位，在下一个周期内重复上述过程就完成了单周期控制过程。

4 电路设计

4.1 主控芯片简介

本文的单周期控制采用了英飞凌公司的ICE3PCS02作为主控芯片，该芯片为英飞凌公司最新一代采用单周期控制的PFC芯片，特点是：

•整个负载范围内保持高效率；

•8只引脚、电路简洁；

•内置数字电压闭环补偿电路；

•负载突变时动态响应更快；

•外置同步时钟和电流尖峰限制。

主要引脚功能如下：

•端1（ISENSE）：电流采样端；

•端2（GND）：芯片接地端；

•端3（ICOMP）：电流环路补偿端；

•端4（FREQ）：开关频率设置端；

•端5（OVP）：过压保护端；

•端6（VSESE）：母线电压检测端；

•端7（VCC）：芯片电源端；

•端8（GATE）：功率管驱动端。

4.2BOOST电感设计

首先要确定开关频率，开关频率越高那么磁性元件的体积就可以做的较小，并且有利于EMC滤波器设计，但是太高的开关频率也会带来更多的铁损和功率器件的开关损耗，因此综合考虑取开关频率为200kHz。根据手册选择控制芯片的端4脚所接频率设置电阻为22kΩ。

一般认为电感电流纹波率γ为0.4时电感的损耗最低，输入电压范围为100V～120V，占空比为D，输出电压Vo为380V，可得最小占空比：

其中Vin_min为输入电压最小值100V，Dmin等于0.629。

可以得到电感值L的取值范围：

式中fs为开关频率取200kHz，Iin_maxRMS为输入最大电流有效值，根据功率2000W及电源效率0.96可得Iin_maxRMS为6.9A，带入可得电感L≥166μH，实际取电感值为200μH。

4.3 输出电容设计

BOOST输出电容影响着输出电压稳定和输出电压纹波，此外输出纹波还需要考虑国军标对掉电50ms的要求，此处按照掉电时间和掉电最低电压来设计电容值。

其中，Iav为输出平均电流，等于输出功率和输出电压平均值之比，输出功率为2000W，假设输出电压从380V下降到220V，输出电压平均值为300V，得到平均电流Iav为6.67A，th为掉电时间50ms，ΔV为输出电压降到最低电压的差值160V，得到输出电容值最小为2084μF。

5 仿真和试验结果

根据上面介绍的三相三电平PFC电路原理和电路设计，利用Matlab/simulink工具对该三相PFC电路进行仿真，输如电压为三相115V/400Hz，功率为2000W，图4所示为输入电压和输入电流波形，仿真实验验证了单周期控制在三相VIENNA电路中的可行性，可以看到输入电流波形近正弦，且和电压相位保持一致，达到了三相功率因数校正的目的。

根据上述分析，制作了一台2kW原理样机，输入电感200μH，输出电容正端和负端各并联1000μF，开关管的选择主要考虑电压、电流应力、开关速度等，此处选择英飞凌COOLMOS场效应管，导通电阻为45mΩ，功率二极管采用CREE公司的碳化硅肖特基二极管，开关频率为200kHz。

图5所示分别是半载和满载时整流器输入电压和输入电流波形，可以看到满载时输入电流波形总是能跟踪输入电压波形，二者几乎没有相位差，且三相电流波形正弦度和均流度均很好，和仿真结果保持一致。

6 结语

本文研究了三相VIENNA整流器及其单周期控制原理，在此基础上进行了仿真和试验。仿真和试验结果表明该电路能够大大提高三相用电设备的功率因数，并且有效地降低了电流谐波含量，使得雷达电源能够满足GJB181-86《飞机供电特性》中对输入电流谐波含量要求，同时，对于雷达电源通过GJB151A-97《军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求》中CE101和CE102测试也有很大的帮助。该技术在中小功率雷达电源应用中具有较大的应用前景。

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High Power-factor Airborne Three-phase VIENNA Rectifier

HU Guoguang1DAI Qiankun2ZOU Xiaoyu2
（1.Military Representative Bureau of Navy Equipment Department in Shanghai，Wuxi214063）（2.Leihua Electronic Technology Institute，AVIC，Wuxi214063）

With the increasing number of various electrical equipment of the switch power-supply，the harmonic distortion（THD）of the three-phase current has become more and more and a large number of harmonic injected into the airborne pollution and reduced the power-factor seriously，therefore，the three-phase PFC technology plays a very important role in addressing the electricity nuisance，and has been a hot research in recent years.This paper considered airborne three-phase VIENNA rectifier which could be the equivalent of three single-phase Power-Factor-Correction（PFC）circuits.The results of the modulation and experiment demonstrated the satisfactory effects of the circuit on the three-phase power-factor-correction and the wide application prospects on the airborne radar.

airborne power supply，three-phase rectifier，power-factor-correction，one-cycle control

TM11

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.06.032

2016年12月11日，

2017年1月28日

胡国光，男，硕士，工程师，研究方向：雷达技术。戴钱坤，男，硕士，工程师，研究方向：雷达电源技术。邹晓渔，

男，硕士，研究员，研究方向：雷达电源技术。