三相四开关整流器的研制

东莞理工学院电子工程与智能化学院 赖宇威 张 志 付 威 黄鹏峰 张润超

深圳市同立方科技有限公司 叶晓东

三相四开关整流器拓扑具有功率器件少、成本低、装置体积小、效率高和开关损耗低等优点，同时又可作为三相六开关整流器故障时的容错拓扑，因此三相四开关整流器受到广泛关注。本文首先介绍了三相四开关整流器的主电路，并且提出一种电流前馈型解耦的电压电流双闭环控制策略。为了抑制直流侧两电容电压不平衡的情况，采用了一种前馈补偿的控制策略，实现直流侧两电容电压的平衡控制，并进行仿真实验验证了所提出控制策略的正确性和可行性。

1 三相四开关整流器的系统硬件设计

三相四开关整流器主电路拓扑结构：

三相四开关整流器的拓扑结构如图1所示，基于三相电流和为零的原理，应用两个电容代替两个开关管组成一组桥臂，整流侧将输入的三相交流电流整流为直流电输入到连个电容中间点。同时采用四个开关管组成另外两组桥臂，交流侧的电感用于储存和释放能量，负载侧采用电阻模拟负载应用。

2 三相四开关整流器的控制策略

与传统的脉宽调制技术（SPWM）相比，基于SVPWM调制技术的三相整流拓扑的直流电压利用率更高，功率管的开关损耗率也更低并且拥有更好的动态性能，且在实现的手法上更加简单易行，所以本文采用SVPWM的调制方式。

2.1 带前馈解耦的电流闭环控制

由于三相电流的dq轴分量之间存在交错耦合，在这种耦合状态下对电路的系统控制难度将会大大提升，所以在进行电流控制要先进行解耦。在采用PI控制的电流内环中加入三相电流的有功分量Id和无功分量Iq解耦，控制方程为：

依据电流内环的对称性，只要对Id的控制设计就能同时得到Iq的控制设计。

2.2 电压闭环控制

图1 三相四开关整流器主电路拓扑

图2 系统控制框图

图3 三相四开关整流器主电路

图4 三相四开关整流器控制部分

图5 网侧电压电流波形

图6 直流侧负载电压

图7 直流侧电流

当直流侧电压不稳定时将会产生较大的波动，不利于能量的储能释能变换状态。因此可以在上一节所说得电流内环的控制基础上加入电压外环，采用电压电流双环控制，其控制流程如图2所示。

3 MATLAB仿真的搭建

图3所示为使用Simulink搭建的三相四开关整流器的主电路，其中包括三相电源、整流桥、负载、控制电路等。部分参数选择为：电感2mH，负载电阻100，电容2000。

3.1 控制电路

图4所示为三相四开关整流器的控制部分，其中主要包括坐标变换、相位角计算、电压外环、电流内环、前馈解耦等组成。

3.2 仿真结果与分析

从图5所示可以看出，网侧电压电流的相位基本一致，表明其功率因数接近1，三相电流畸变率小于10%。从图6、7所示看出，直流侧负载电压基本稳定在70V，电流在稳定在0.7A。仿真验证了该方案的可行性，符合课题要求。

4 结论

本文以TMS320F25035芯片为核心处理器，展开对三相四开关整流器的拓扑研究，以下为本文主要研究部分：

（1）介绍三相四开关整流器的背景与应用，分析其工作原理。

（2）说明一种基于前馈补偿的电容电压不平衡抑制策略。

（3）硬件上说明各个电路的原理及设计方案。

（4）通过MATLAB仿真验证实验可行性并进一步搭建实物验证理论的合理性与正确性。