VSR和CSR的换流过程仿真对比分析

摘要：电流型整流器具有降压输出的优势，适用于数据中心、电动汽车等应用场合。为了将电压型整流器的成熟技术移植到电流型整流器中，文章对两种整流器的换流过程进行分析比较，并分别提取了各整流器的换流电路，通过LTSPICE仿真对整流器的换流过程进行分析比较。结果表明，由于电路结构的不同，两种整流器在换流过程中呈现出不同的换流规律。

关键词：VSR；CSR；LTSPICE仿真；换流过程；电流型整流器 文献标识码：A

中图分类号：TM461 文章编号：1009-2374（2017）11-0118-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.11.060

1 概述

PWM整流器是采用全控型器件，将脉宽调制技术与整流器控制策略相结合，从而使整流器网侧电流正弦化，是一种“绿色电能变换”的整流器。PWM整流器的主电路根据输出特性有两大类，分别为电压型PWM整流器（Voltage Source Rectifier，VSR）与电流型PWM整流器（Current Source Rectifier，CSR）。

电压型PWM整流器以其开关结构的结构简单、调制方便、效率较高、动态响应快等优点，长期是PWM整流器研究的热点与应用的首选。电流型PWM整流器，又称buck整流器，具有降压输出、滤波器体积小等优势，适用于通讯、数据中心的前端，也适用于电动汽车充电器、感应加热、变速电机驱动等场合，然而电流型PWM整流器的研究相对较少。由于VSR具有较成熟的技术，将CSR和VSR进行对比，可以更有利于CSR的研制。

为了将电压型整流器的成熟技术移植到电流型整流器中，本文对两种整流器的换流过程进行分析比较。并通过LTSPICE仿真和双脉冲实验探索规律。

2 变换器换流分析

电压型整流器和电流型整流器的储能单元、开关单元、控制及调整方法均不相同，对应的换流波形也有所区别。

2.1 VSR和CSR的换流分析

如图1所示，电压型整流器直流侧采用电容滤波，同一桥臂的两个开关管不能同时导通，通常换流是在桥臂的上管和下管之间进行换流，当忽略非换流器件结电容的影响，仅分析换流开关单元。

电流型整流器的输出端采用电感作为储能元件，换流过程中需要确保一条电流回路，避免直流侧电感上出现大的电流波动。所以CSR中换流通常发生在同一侧桥臂电路上，即上侧或下侧桥臂之间的开关管进行换流，当忽略非换流器件结电容的影响，仅分析换流开关单元。

2.2 仿真分析

在LTSPICE软件中建立整流器的换流模型。仿真电路中采用的功率管和二极管均为CREE公司的器件，器件的仿真模型来自CREE公司官方网站。

表1所示为器件的定额参数。表2所示为电路仿真参数。此外，为了使仿真结果更加准确，在换流回路中加入了回路寄生电感。在仿真电路中，需要注意的是要确保SiC MOSFET驱动电压范围在-5～25V之内。

图2（a）、（b）分别为VSR换流电路和CSR换流电路的驱动信号。由于VSR中需要防止桥臂直通，在换流开关中需要加入死区时间，因此S2处于常断状态，与此相反，CSR中需要加入叠流时间，为此S2处于常通状态。

图3所示为基于VSR的仿真结果，图4所示是基于CSR的开关单元换流波形。图中实线是10Ω栅极驱动电阻下的开关波形，虚线是0.3Ω栅极驱动电阻下的开关

波形。

将图3和图4的波形进行对比，可以看出，CSR在换流过程中开关管的电压电流振荡频率比VSR的振荡频率大。CSR中换流波形的衰减速度比CSR中衰减速度快。对比10Ω驱动电阻对应的实线波形和0.3Ω驱动电阻对应的虚线波形中，可以得知在VSR和CSR中，驱动电阻对换流的影响规律一样，即驱动电阻的减小可以加快开关管的开关速度，同时加大功率管的振荡幅度。

3 结语

本文对比分析了VSR和CSR的拓扑结构，结合变换器的换流原理，从变换器中分别提取了对应的换流电路，并通过LTSPICE仿真和双脉冲实验对换流过程进行分析。

仿真表明，由于換流回路的寄生电感和晶体管的结电容影响，在换流过程中存在着振荡现象；由于CSR的开关单元是由功率管和二极管串联组成，开关单元具有导通电阻大、结电容小等特点，所以换流波形存在着振荡频率高衰减系数大等现象。此外，降低驱动电路的驱动电阻可以加快开关管的开关速度，但也会增大波形的振荡幅度，因此在选择驱动电阻时要综合开关速度和振荡幅度两方面因素进行综合选择。

参考文献

[1] 张兴，张崇巍.PWM整流器及其控制[M].北京：机械工业出版社，2012.

[2] 方宇，裘迅，邢岩，等.三相高功率因数电压型PWM整流器建模与仿真[J].电工技术学报，2006，21

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作者简介：杨锦春（1981-），男，江苏吴江人，连云港市环境卫生管理处工程师，研究方向：电子信息。

（责任编辑：蒋建华）