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Vienna整流電路的基本原理和調制方式

CHANBAEK ? 來源:功率半導體那些事兒 ? 作者:Disciple ? 2023-04-14 14:26 ? 次閱讀

前幾天我們聊了有關充電樁的基本概念以及相應的系統框架,簡化的就是AC-DC后DC-DC,今天我們就來聊聊以Vienna為主的前級整流電路,主要講述Vienna整流電路的基本原理和調制方式。

Vienna整流電路

Vienna整流器于1994年被奧地利維也納大學的學者J.W.Kolar提出,作為一種三電平變換器,相較于普通的兩電平整流器如三相六開關整流器,其最大的優勢在于,功率器件承受的應力降低了一半、功率密度高、輸入電流的畸變小;相對于普通的三電平變換器,它具有電路簡單、功率器件較少,無橋臂直通的可能從而避免了死區時間的設置,同時降低了開關損耗、控制的復雜性和增大了有限占空比,也就是說可靠性得到了大幅提高。

因此,針對直流充電樁等高壓大功率場合,作為單向功率流動的Vienna整流器受到了很大的歡迎。

根據其輸入輸出的連接方式,我們可以分為三相四線制和三相三線制兩類。前者的電源中線和輸出電容中點相連,三相電路可以實現獨立的控制;后者三相耦合,控制分為解耦和不解耦兩種方法,也就是dq坐標系和abc靜止坐標系兩者分析方法。我們今天主要分析三相三線制。

Vienna基本工作原理

Vienna的基本電路拓撲如下:

wKgaomQ48ZOANxTXAAAf_n1uFJ4578.jpg

其包括三個輸入升壓濾波電感、三相不可控整流橋(6個二極管)、三個雙向開關組(每組包括兩個反向串聯的功率MOSFET)和兩個輸出電容。

當Vienna整流器處于穩態時,每一相的
橋臂均由一個雙向開關來實現電流的雙向流動,進而實現PFC功能(之前我們也提到雖然其是單向功率流動,但是其中電流仍是雙向的)。我們以B相來進行說明,當Sb開通(我們記為1)時,無論ib正負與否,整流器輸入端電壓UBM被開關管鉗位在0,如下圖所示:

wKgaomQ48ZOAIqDqAABM91jcqig210.jpg

UBM=0,ib<0 UBM=0,ib<0

當Sb關斷(我們記為0)時,電流ib僅能通過二極管Db1和Db2,且ib>0通過上整流管Db1,整流器輸入端電壓UBM被鉗位在UPM;當ib<0通過下整流管Db2,整流器輸入端電壓被前衛在-UMN,如下圖所示:

wKgZomQ48ZOARkJ9AABMuaTCTeA754.jpg

UBM=UPM,ib>0 UBM=-UMN,ib<0

故,Vienna整流器的輸入端電壓,我們可以用下式表示:

wKgaomQ48ZOAXORdAAASHYXe9Q8243.jpg

當輸出上下電容能夠實現均壓,則UPM=UMN=UPN/2。所以上式我們可以轉化為

wKgaomQ48ZOAOd0fAAAHBny6ae4233.jpg

式中,當開關管S1開通時為1,關斷時則為0。當i1>0,sign(i)=1;i1<0,sign(i1)=1。

綜上所述,輸入端的電壓方程可以表達為:

wKgZomQ48ZOAOXMNAAAYIjdPyLQ458.jpg

對于三相電網平衡系統,可得

wKgZomQ48ZOAMIdnAAAPV-tfYGk741.jpg

Vienna的調制方法

Vienna整流器的調制方法,大多借鑒一普通的二極管鉗位三電平變換器,常見的如載波脈寬調制CB-PWM,不連續調制DPWM以及空間矢量SVM。

載波調制中有正弦調制波調制SPWM和基于共模分量注入的載波調制。SPWM出現的較早,實現簡單,并且輸出效果較好,所以用的比較常見。但是其電壓利用率不是很高,中點電壓波動也比較大;共模分量注入的載波調制常用的時三次諧波,可以一定程度上彌補一下SPWM的缺陷。不連續調制在特定時間內分別將調制波鉗位到正、負和零三種電平,從而降低電流的畸變,減少開關動作次數,但是仍然具有中點電壓波動、電流諧波含量較大的缺點。

Vienna整流器的矢量分布圖如下:

wKgZomQ48ZOACo-IAADcoU2Aj2A285.jpg

與普通三電平不同的是,其輸入電壓不僅與開關狀態有關,同時還受到電流方向的限制。即在開關管開通時為零電平(o);在開關管關斷時,當輸入電流為正時,中點電壓為正電平(p),當輸入電流為負時,中點電壓為負電平(n)。

空間矢量表達式:

wKgZomQ48ZOAFBuPAAAPf7gsjKg317.jpg

其中,Va、Vb、Vc表示各相對應的輸入電壓的電平,根據調制的特點,供可構建的矢量個數為33=27個。其中,有三個零矢量,六個長度為2UPN/3的大矢量,六個長度為√3UPN/3的中矢量以及十二個長度為UPN/3的小矢量。而nnn和ppp為無效矢量,由于電流沒有流通路徑而不存在;ooo可以將三相電源構成回路而無輸出電容的充放電。

以上便是今天的內容,希望你們能夠喜歡,下一篇我們還繼續聊Vienna,聊聊其另外的空間矢量調制方式,敬請期待。

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