全數字單相三電平整流器的控制電路設計

摘要：三電平整流器由于其獨特的優點，受到了越來越多的重視。介紹了三電平橋式整流器的工作原理，并用數字信號處理器對其控制系統進行了實現，說明了全數字控制系統的硬件設計和軟件設計的方法。仿真和實驗結果驗證了理論研究的結果。

關鍵詞：數字信號處理器;三電平;PWM整流器;功率因數校正

0 引言

三電平(ThreeLevel，TL)整流器是一種可用于高壓大功率的PWM整流器，具有功率因數接近1，且開關電壓應力比兩電平減小一半的優點。文獻[1]及[2]提到一種三電平Boost電路，用于對整流橋進行功率因數校正，但由于二極管整流電路的不可逆性，無法實現功率流的雙向流動。文獻[3]，[4]及[5]提到了幾種三電平PWM整流器，盡管實現了三電平，但開關管上電壓應力減少一半的優點沒有實現。三電平整流器盡管比兩電平整流器開關數量多，控制復雜，但其具有兩電平整流器所不具備的特點：

1)電平數的增加使之具有更小的直流側電壓脈動和更佳的動態性能，在開關頻率很低時，如300～500Hz就能滿足對電流諧波的要求;

2)電平數的增加也使電源側電流比兩電平中的電流更接近正弦，且隨著電平數的增加，正弦性越好，功率因數更高;

3)開關的增加也有利于降低開關管上的電壓壓應力，提高裝置工作的穩定性，適用于對電壓要求較高的場合。

1 TL整流器工作原理

TL整流器主電路如圖1所示，由8個開關管V11～V42組成三電平橋式電路。假定u1=u2=ud/2，則每只開關管將承擔直流側電壓的一半。

圖1 TL整流器主電路

以左半橋臂為例，1態時，當電流is為正值時，電流從A點流經VD11及VD12到輸出端;當is為負值時，電流從A點流經V11及V12到輸出端，因此，無論is為何值，均有uAG=uCG=+ud/2，D1防止了電容C1被V11(VD11)短接。同理，在0態時，有uAG=0;在-1態時，有uAG=uDG=-ud/2，D2防止了電容C2被V22(VD22)短接。

右半橋臂原理類似，因此A及B端電壓波形如圖2所示，從而在交流側電壓uAB上產生五個電平：+ud，+ud/2，0，-ud/2，-ud。

圖2 TL整流器波形

每個半橋均有三種工作狀態，整個TL橋共有32=9個狀態。分別如下：

狀態0(1,1) 開關管V11，V12，V31，V32開通，變換器交流側電壓uAB等于0，電容通過直流側負載放電，線路電流is的大小隨主電路電壓us的變化而增加或減小。

狀態1(1,0) 開關管V11，V12，V32，V41開通，交流側輸入電壓uAB等于ud/2，輸入端電感電壓等于us-u1。電容C1電壓被正向(或反向)電流充電(u1

狀態2(1,-1) 開關管V11，V12，V41，V42開通，輸入電壓uAB=ud，正向(或反向)電流對電容C1及C2充電(或放電)，由于輸入電感電壓反向，電流is逐漸減小。

狀態3(0,1) 開關管V12，V21，V31，V32開通，交流側輸入電壓uAB等于-ud/2，輸入電感上電壓等于us+u1。電容電壓被正向(或反向)電流充電(或放電)。

狀態4(0,0) 開關管V12，V21，V32，V41開通，輸入端電壓為0，電容通過直流側負載放電，線路電流is的大小隨主電路電壓us的變化而增加或減小。

狀態5(0,-1) 開關管V12，V21，V41，V42開通，交流側電壓為ud/2，正向(或反向)電流對電容C2充電(或放電)，電容C1通過負載電流放電。

狀態6(-1,1) 開關管V21，V22，V31，V32開通，uAB=-ud，正向(或反向)線電流對兩個電容C1及C2充電(或放電)，由于升壓電感電壓正向，線電流將逐漸增加。

狀態7(-1,0) 開關管V21，V22，V32，V41開通，交流側電壓電平為-ud/2，正向(或反向)電流對電容C2充電(或放電)，電容C1通過負載電流放電。

狀態8(-1,-1) 開關管V21，V22，V41，V42開通，輸入端電壓為0，升壓電感電壓等于us，兩個電容C1及C2均通過負載電流放電。電流is根據電壓us的變化而增加(或減小)。

2 硬件電路設計

從圖2可以看出，在輸入電壓頻率恒定的情況下，要在變換器交流側產生一個三電平電壓波形，輸入電壓一個周期內應定義兩個操作范圍：區域1和區域2，如圖3所示。

圖3 工作區域