三相三线制Vienna整流器系统仿真与实验平台设计

冯兴田， 崔 晓， 陶媛媛

（中国石油大学（华东）新能源学院，山东青岛266580）

0 引 言

当今社会对能源节约与环境保护的重视程度日益提高，电力装置的应用范围越来越广泛，给人们带来诸多便利的同时，许多电力设备对电网的污染问题却日益突出［1-2］。谐波污染的一个重要原因是整流器产生的，降低整流设备输入电流的谐波、提升整流器的功率因数，成为电力电子应用中的重点研究方向［3-4］。三相三线制Vienna整流器是一种三相三电平Boost整流器，与其他三电平整流电路相比，该结构功率因数高、开关管电压应力低、输入电流谐波畸变率低、应用价值高。

本文选用一种三相三线制Vienna 整流器作为设计对象，在Matlab 环境下构建仿真模型，进行仿真分析；采用数字信号处理器TMS320F28035 作为控制器开发系统软件［5-7］，设计了电压、电流采样电路，驱动电路以及软起动电路，使用碳化硅功率器件搭建了三相三线制Vienna整流器的实验平台。同时，为便于学生实验研究，对实验平台进行了模块化的设计。

1 三相三线制Vienna整流器设计

三相三线制Vienna整流器系统结构如图1 所示，主要包括4 大模块：三相维也纳整流器主电路模块、DSP控制模块、驱动模块、采样模块。每个模块具有选择性、独立性和可移植性。学生通过设计过程的锻炼，能够举一反三，全面掌握电力电子系统的开发设计。

图1 三相Vienna整流器系统结构

电源模块主要提供控制、采样、驱动等部分的弱电电源。采样模块包括直流侧采样和交流测采样两部分。DSP控制模块中，采用TMS320F28035 32 bit处理器作为DSP 控制器，能够实现“双核”控制和并行计算，控制简单且节约成本。

1.1 主电路结构

Vienna 整流器主电路模块结构选择三相六开关结构［8-12］。图2 所示为本文设计的三相三线制Vienna整流器电路结构，ea、eb、ec为三相交流电源；ia、ib、ic为网侧三相输入电流；L1、L2、L3是值为Ls的三相滤波电感；r1、r2、r3是值为r的三相滤波电阻；C1、C2是值为C的直流侧电容；RL为负载电阻，其两端电压为直流母线电压udc；每相由两个反向串联的MOSFET构成。

1.2 采样与驱动

图2 三相三线制Vienna整流器结构

分别对直流侧电容C1和C2两端的电压进行采样，经过电阻分压送入差分放大器AD8221ARMZ，得到上、下电容两端的采样电压。上、下电容两端采样电压之和是直流母线电压，作为电压外环的输入给到控制环中。交流侧输入电压的采样电路与直流输出电压采样类似，分别对交流侧三相输入电压进行采样，将信号经过电阻分压送入差分放大器，得到交流侧采样相电压。

系统交流侧输入电流先经过1∶1 000 的电流互感器和采样电阻，将电流信号转换成电压信号。其中电流传感器为HO10-P，供电电源为5V。电压信号再经过LMV324 四运算放大器得到交流侧三相采样电流值，然后将结果送到DSP进行数字控制运算。

驱动电路的可靠性和稳定性关乎整个变换器的性能，本设计中，三相Vienna 整流器每相有两个开关管组成一个双向开关，共有6 个MOSFET，因此DSP需要产生6 路PWM信号。驱动电路采用1EDI40I12AF的MOSFET专用门极驱动芯片，其将DSP 产生的PWM信号转换为MOSFET的驱动信号。

1.3 软起动电路

实验平台起动的瞬间，忽略线路阻抗时，直流侧上、下电容的电压会产生突变进而导致过大的冲击电流，造成开关器件的损坏。为了避免这种现象的发生，系统设计了如图3 所示的软起动电路。

图3 软起动电路

当系统接入电源起动时，继电器S触点断开，主电路可控开关器件不工作，输入电压通过整流和预充电电阻对直流侧上下电容充电。由于预充电电阻的存在，抑制了起动电流的冲击，实现了软起动。当直流侧母线电压达到不控整流输出电压值时，上位机控制继电器常开触点闭合，限流电阻被短路。

1.4 系统软件开发

本文以TMS320F28035 为核心进行软件开发，设计数字化控制程序，能够增加系统的抗干扰性能，简化繁杂的模拟电路设计。软件设计主要包含主程序和中断程序两大部分。其中主程序的功能是对寄存器、参数变量、I/O端口、EPWM 模块、A/D 转换模块等进行初始化设置。中断程序是控制部分的核心，主要实现双闭环的控制功能和PWM 的调制功能，程序主要设计流程如图4 所示。

2 仿真建模与分析

基于Matlab/Simulink 搭建三相三线制Vienna 整流器的电路仿真模型如图5 所示。系统主要由三相Vienna整流器主电路和控制电路构成。主电路包括网侧三相交流电源、滤波电感、整流模块、直流侧电容和负载；控制电路包括电压外环控制、锁相环、电流内环控制和SVPWM调制等模块。电压外环控制器的输出作为电流内环的给定，控制保证系统以单位功率因数运行。系统采用的仿真参数见表1。

图4 Vienna整流器程序设计流程

图5 三相三线制Vienna整流器的电路仿真模型

表1 仿真模型参数

动态仿真分析波形如图6 所示，负载在0.2 s 时由半载切换为满载。图6（a）表示a 相输入电源ea和输入电流ia波形，在负载切换时输入电流ia产生了微小畸变情况，但始终跟随输入电压波形并达到新的稳定状态；图6（b）可以看出，输出电压虽然udc在负载切换时产生了较小的波动，但可以在10 ms内恢复到给定值，输出动态稳定。

图6 动态仿真波形

3 系统平台搭建与实验

各个模块设计完成之后，将各部分按照电气关系进行连接，即可构成三相Vienna整流器实验平台。图7为系统控制板；图8 为三相三线制Vienna 整流器实验样机；图9 为三相Vienna 整流器测试平台，主要包括三相Vienna 整流器实验样机、示波器、直流电源和滑动变阻器等。整流器中开关管和整流二极管均为SiC 材质［13］，其型号分别为TK39N60W 和APT30DQ120KG，相比于Si 材质的元器件，更适合应用在高频、高压、高温等大功率的场合。此外，SiC 材质的功率器件以其损耗小、禁带宽度大等特性，更利于降低整体系统的尺寸和增大变换器的功率密度。

图7 控制板

图8 三相三线制Vienna整流器实验样机

图9 三相Vienna整流器测试平台

通过该实验平台进行了相关实验研究［14-15］。系统起动时，为了避免冲击电流带来的不利影响，先通过限流电阻为直流侧上下电容进行充电，即软起动过程，实验波形如图10（a）所示。可以看出直流侧输出电压的上升过程，满足软起动要求。

由于DSP 控制器的输出信号不能直接驱动功率开关管，需要驱动电路将PWM 信号进行放大，为了验证驱动电路设计的可行性，图10（b）给出了驱动电路的输出波形，可以看出开关管驱动信号波形良好，驱动电路设计满足要求。

图10（c）给出了稳态条件下，三相Vienna 整流器交流侧输入电压电流与直流侧输出电压的波形。从波形可以看出，输出电压稳定在给定值；输入电压与输入电流同相位，系统以单位功率因数运行，输入电流的波形畸变率较小，波形质量好。

图10 三相Vienna整流器实验波形

4 结 语

本文设计了三相Vienna 整流器主电路、DSP 控制、驱动、采样等模块，构建了仿真与实验平台，开展了仿真与实验研究。该平台通过电路设计、仿真建模分析、软件开发、Protel 原理图及PCB 绘制、实验波形测试、实验数据处理等多个环节的实训，可以让学生得到充分的训练，全面掌握一个电力电子系统的开发过程，并能够为电气工程学科的研究生课程“现代电力电子技术”提供教学服务。