CN107134935A - 一种降低电流型pwm整流器开关损耗的调制方法 - Google Patents
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Abstract
一种降低电流型PWM整流器开关损耗的调制方法，所述电流型PWM整流器包括由电感L和电容C构成的网侧滤波结构、主要由全控开关管S1、S2、S3、S4、S5和S6构成的三相桥臂以及由二极管D和两个分立电感Ldc构成的输出侧电路结构；具体调制方法包括如下步骤：1）得到三相CSR电流的空间矢量；2）将三相电网电压按30°/扇区进行划分；3）安秒平衡法计算相应有效矢量状态的作用时间；4）确定对应电流矢量的作用顺序；5）得到各全控开关管的控制脉冲信号；6）将步骤5）得到的控制脉冲信号进行状态信号分配，从而对各全控开关管进行开关控制。本发明能够有效缩短器件之间的换流时间，降低开关损耗。
Description
技术领域
本发明涉及PWM整流技术领域，尤其涉及一种降低电流型PWM整流器开关损耗的调制方法。
背景技术
现代电网中大量使用到电力电子变换器，其强非线性的特点将大量的谐波和无功功率注入电网，带来谐波污染、无功损耗等问题，降低电网电能质量。而其中电网谐波污染已成为影响电网电能质量最主要的问题之一，在全民关注环保问题的当下，人们已经认识到净化电力系统环境的重要性。
整流装置作为电网与负载设备的接口，其运行性能和工作状况对电网的电能质量具有关键性的作用。现有的整流装置中大量采用了二极管不可控整流电路及晶闸管相控整流电路，使得网侧电流波形严重畸变，谐波含量高，造成了严重的电网“污染”问题；控制整流装置的电流谐波含量，提高功率因数，对解决电网“污染”问题至关重要。
PWM整流器采用全控型开关器件，并与脉宽调制技术(PWM)相结合，具有输入电流谐波含量小、输出稳定、功率因数可调、能量双向流动等优点，是主要的功率因数校正电路之一，真正成为一种“绿色电能变换”的整流装置。根据PWM整流器拓扑结构及直流侧电源特性的不同，可分为电压型PWM整流器(voltage source rectifier，VSR)和电流型PWM整流器(current source rectifier，CSR)。其中，电压型PWM整流器由于调制方便，电容器储能速率与效率较高，长期以来一直是PWM整流器的应用首选。
相比于电压型PWM整流器，电流型PWM整流器具有电流直接控制、短路保护、降压等优点，使其在电池组充电、电机驱动、超导储能、感应加热等领域应用更有优势。但长期以来，由于电流型PWM整流器调制策略相对复杂，不能完全沿用传统二值逻辑；同时存在开关器件较多，直流侧电感较大，损耗较大，效率偏低等问题，限制了电流型PWM整流器的发展。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于解决现有电流型PWM整流器调制策略复杂，损耗较大，效率较低的问题，提供一种降低电流型PWM整流器开关损耗的调制方法，能够有效缩短器件之间的换流时间，降低开关损耗。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是这样的：一种降低电流型PWM整流器开关损耗的调制方法，其特征在于：所述电流型PWM整流器包括由电感L和电容C构成的网侧滤波结构、主要由全控开关管S1、S2、S3、S4、S5和S6构成的三相桥臂以及由二极管D和两个分立电感Ldc构成的输出侧电路结构；其中，S1和S2组成第一桥臂，S3和S4组成第二桥臂，S5和S6组成第三桥臂，二极管D与输出侧负载并联，两分立电感Ldc/2与输出侧负载串联；
具体调制方法包括如下步骤：
1)在三相电网平衡的情况下，通过clarke变换，将三相电流转换到α-β坐标系下两相电流，电流的空间矢量为:
式中：isa、isb、isc为变换器侧电流；
其中，三相CSR电流的空间矢量共存在9种状态，包括：6种有效矢量状态(I1～I6)和3种零矢量状态(I7，I8，I9)；且任意导通状态，流过功率开关管的电流幅值均为idc，从而得到三相CSR电流的空间矢量：
2)将三相电网电压按30°/扇区进行划分，将一个工作周期按逆时针方向划分为12个扇区；且各扇区内，电网相电压有确定的大小关系；
3)根据电流矢量所在的扇区，通过安秒平衡法计算相应有效矢量状态的作用时间；其中，零矢量状态可通过输出侧二极管续流；
4)在各扇区内，依据平均开关电压最小原则，确定对应电流矢量的作用顺序；
5)以三角波作为载波信号，将电流矢量切换时刻的瞬时值与三角载波的瞬时值进行比较，得到各全控开关管的控制脉冲信号；
6)将步骤5)得到的控制脉冲信号进行状态信号分配，从而对各全控开关管进行开关控制。
进一步地，步骤2)中，各扇区内的电网相电压的关系如下表所示：
表中，ea、eb、ec为三相电网电压。
进一步地，步骤3)中，各扇区内有效电流矢量状态的作用时间如下表所示：
表中，T1、T2、T3、T4、T5、T6分别为各扇区内对应的电流矢量I1、I2、I3、I4、I5、I6的作用时间。
进一步地，步骤4中，各扇区内，电流矢量的作用顺序如下表所示：
| 扇区 | 矢量切换 | 扇区 | 矢量切换 |
| 1 | I1-I6-I0-I6-I1 | 7 | I3-I4-I0-I4-I3 |
| 2 | I2-I1-I0-I1-I2 | 8 | I5-I4-I0-I4-I5 |
| 3 | I1-I2-I0-I2-I1 | 9 | I4-I5-I0-I5-I4 |
| 4 | I3-I2-I0-I2-I3 | 10 | I6-I5-I0-I5-I6 |
| 5 | I2-I3-I0-I3-I2 | 11 | I5-I6-I0-I6-I5 |
| 6 | I4-I3-I0-I3-I4 | 12 | I6-I1-I0-I1-I6 |
表中，零矢量状态I0通过输出侧二极管续流。
进一步地，步骤5)中，所述三角载波周期为Ts，幅值为Ts/2，所述电流矢量切换时刻的瞬时值值为Ta、Tb和Tc；令各扇区内的第一电流矢量和第二电流矢量的作用时间分别为T1＇、T2＇，则有，Ta＝T1＇/2、Tb＝T1＇/2+T2＇/2、Tc＝Ts/2；
其中，零矢量作用的总时间：T0＝Ts-T1＇-T2＇；
当T1＇+T2＇>Ts时，则有：
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、采用管压降更小的二极管续流代替传统一相桥臂直通续流，不仅可以防止因开关管故障所引起的直流侧开路，而且可以简化控制逻辑，显著降低三相CSR的导通损耗，提高系统效率。
2、在不改变系统开关频率和电路结构的情况下，根据电流矢量所在扇区位置选择对应的有效电流矢量作用顺序，缩短器件之间的换流时间，从而减少功率开关管的开关损耗，提高系统效率。
附图说明
图1是三相电流型PWM整流器空间矢量信号发生环节图；
图2是三相电流型PWM整流器主拓扑结构图。
图3是电网电压与扇区分布图。
图4是本发明空间电流矢量分布图。
图5是扇区一的开关状态矢量序列图。
图6是扇区一电流从开关管S6到S4换相图。
图7是扇区一电流从开关管S1到续流二极管D换相图。
图8是扇区一电流从续流二极管D到开关管S1换相图。
图9是扇区一电流从开关管S4到S6换相图。
图10是本发明下的变换器侧电流仿真波形图。
图11是本发明下的网侧电流、电压仿真波形图。
图中：ea、eb、ec为三相电网电压；ia、ib、ic为网侧输入电流；isa、isb、isc为变换器侧电流；R为滤波电感等效电阻；Ldc/2为直流侧分立电感；RL为等效负载电阻。
具体实施方式
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
实施例：参见图1、图2，一种降低电流型PWM整流器开关损耗的调制方法，其中，所述电流型PWM整流器包括由电感L和电容C构成的电网侧(交流侧)滤波结构，起到滤除网侧电流谐波，并抑制交流侧谐波电压的作用。主要由全控开关管S1、S2、S3、S4、S5和S6构成的三相桥臂；其中，S1和S2组成第一桥臂，S3和S4组成第二桥臂，S5和S6组成第三桥臂；在S1、S3、S5的输出端分别串联有二极管D1、D3、D5，在S2、S3、S6的输入端分别串联有二极管D2、D3、D4，从而能够提高器件的电压反向阻塞能力。由二极管D和两个分立电感Ldc/2构成的输出侧电路结构，其中，二极管D与输出侧负载并联，采用管压降更小的二极管续流代替传统一相桥臂直通续流，不仅可以防止因开关管故障所引起的直流侧开路，而且可以简化控制逻辑，显著降低三相CSR的导通损耗，提高系统效率。两分立电感Ldc/2与输出侧负载串联，从而能够在不改变输出特性的情况下，有效减小电感体积。
具体调制方法包括如下步骤：
1)对于三相CSR，要实现交流侧电流的脉冲宽度控制，必须采用所谓三值逻辑定义开关函数σk，即：
由于直流侧电感需要续流回路，必须满足任意时刻，上、下桥臂有且仅有一个开关管导通；因此，三相CSR电流的空间矢量共存在9种状态，包括：6种有效矢量状态(I1～I6)和3种零矢量状态(I7，I8，I9)。
在三相电网平衡的情况下；
isa(t)+isb(t)+isc(t)＝0 (2)；
通过clarke变换，将三相电流转换到α-β坐标系下两相电流，电流的空间矢量为:
式中：isa、isb、isc为变换器侧电流。
由于任意导通状态，流过功率开关管的电流幅值均为idc，从而得到三相CSR电流的空间矢量：
2)由于电流矢量Iref以角速度ω0按圆形轨迹旋转，其中旋转速度对应输入电流基波频率，幅值对应输入电流大小。实际上，由于开关频率和矢量组合的限制，电流矢量只能以某一固定步进角频率进行旋转，使得电流矢量Iref轨迹为准圆形；开关频率越高，准圆形轨迹越接近圆形轨迹，网侧电流波形越接近正弦。
参见图3、图4，将三相电网电压按30°/扇区进行划分，将一个工作周期按逆时针方向划分为12个扇区；且各扇区内，电网相电压有确定的大小关系，从而能判断参考电流矢量所在的扇区；其中，各扇区内的电网相电压的关系如下表所示：
| 扇区 | 相电压关系 | 扇区 | 相电压关系 |
| 1 | ea>0>eb>ec | 7 | ec>eb>0>ea |
| 2 | ea>eb>0>ec | 8 | ec>0>eb>ea |
| 3 | eb>ea>0>ec | 9 | ec>0>ea>eb |
| 4 | eb>0>ea>ec | 10 | ec>ea>0>eb |
| 5 | eb>0>ec>ea | 11 | ea>ec>0>eb |
| 6 | eb>ec>0>ea | 12 | ea>0>ec>eb |
表中，ea、eb、ec为三相电网电压。
3)根据电流矢量所在的扇区，通过安秒平衡法计算相应有效矢量状态的作用时间；其中，零矢量状态可通过输出侧二极管续流；从而能够减少零状态逻辑判断环节，同时显著降低三相CSR的导通损耗，提高系统效率。
以扇区1为例，根据图3可以得到电流矢量Iref在α、β轴上的对应关系：
式中：T1、T6分别为电流矢量I1、I6的作用时间，Iα、Iβ分别为电流矢量Iref在α、β轴上的分量，Ts为开关周期。
联立式(4)、(5)得到扇区1电流有效矢量的作用时间：
同理可得扇区2-12矢量作用时间，其中，各扇区内有效电流矢量状态的作用时间如下表所示：
表中，T1、T2、T3、T4、T5、T6分别为各扇区内对应的电流矢量I1、I2、I3、I4、I5、I6的作用时间。
4)由于空间矢量调制存在多个自由度(即多种开关顺序)，为最大限度降低开关损耗，在各扇区内，依据平均开关电压最小原则，确定对应电流矢量的作用顺序。
其中，各扇区内，电流矢量的作用顺序如下表所示：
表中，零矢量状态I0通过输出侧二极管续流。
5)以三角波作为载波信号，将电流矢量切换时刻的瞬时值与三角载波的瞬时值进行比较，得到各全控开关管的控制脉冲信号(包括开关状态及开关时长)。
所述三角载波周期为Ts，幅值为Ts/2，所述电流矢量切换时刻的瞬时值为Ta、Tb和Tc；令各扇区内的第一电流矢量和第二电流矢量的作用时间分别为T1＇、T2＇，则有，Ta＝T1＇/2、Tb＝T1＇/2+T2＇/2、Tc＝Ts/2；
其中，零矢量作用的总时间：T0＝Ts-T1＇-T2＇；
当T1＇+T2＇>Ts时，则有：
6)将步骤5)得到的控制脉冲信号进行(全控开关管的)状态信号分配，从而对各全控开关管进行开关控制。
作为一种具体实施例，如图5所示为扇区1在一个开关周期中的矢量作用序列图，总共包括4次矢量切换，涉及S1开通损耗，S1关断损耗，S6开通损耗，S6关断损耗，续流二极管的反向恢复损耗和串联二极管的反向恢复损耗。
如图6所示，在扇区1内电流矢量从I1向I6切换，此过程开关管S1始终开通，电流从S6换至S4。由于扇区1中eac>eab，S4可实现零电流开通，开通损耗为零；S6关断过程中，存在电压与电流的交叠，将产生关断损耗。
如图7所示，在扇区1内电流矢量从I6向I0切换，此过程开关管S4始终开通，电流从S1换至续流二极管D，S1将产生关断损耗。
如图8所示，在扇区1内电流矢量从I0向I6切换，此过程开关管S4始终开通，电流从续流二极管D换至S1，S1将产生开通损耗，续流二极管D将产生反向恢复损耗。
如图9所示，在扇区1内电流矢量从I6向I1切换，此过程开关管S1始终开通，电流从S4换至S6。由于扇区1内b点电位大于c点电位，电流迅速换相，S6将产生开通损耗，串联二极管关将产生反向恢复损耗。S4可实现零电流关断，关断损耗为零。
根据以上分析方法同理可得且它扇区开关损耗分析；整个控制过程中，开关损耗得到大大降低，从而提高系统效率。
如图10所示为本发明下的变换器侧电流仿真波形，经过网侧LC滤波得到如图11所示的网侧电流仿真波形，电流波形保持正弦，无畸变，相位跟踪良好；验证了本发明的正确性和适用性。
本发明所提供的一种基于电流型PWM整流器的最优开关损耗调制方式，在不改变系统开关频率及电路硬件结构的情况下，将传统6扇区调制方式增至12扇区，并根据电流矢量所在扇区位置选择对应的有效电流矢量作用顺序，缩短器件之间的换流时间，从而减少功率开关管的开关损耗，提高系统效率。
最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (5)
1.一种降低电流型PWM整流器开关损耗的调制方法，其特征在于：所述电流型PWM整流器包括由电感L和电容C构成的网侧滤波结构、主要由全控开关管S1、S2、S3、S4、S5和S6构成的三相桥臂以及由二极管D和两个分立电感Ldc构成的输出侧电路结构；其中，S1和S2组成第一桥臂，S3和S4组成第二桥臂，S5和S6组成第三桥臂，二极管D与输出侧负载并联，两分立电感Ldc/2与输出侧负载串联；
具体调制方法包括如下步骤：
1)在三相电网平衡的情况下，通过clarke变换，将三相电流转换到α-β坐标系下两相电流，电流的空间矢量为:
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式中：isa、isb、isc为变换器侧电流；
其中，三相CSR电流的空间矢量共存在9种状态，包括：6种有效矢量状态(I1～I6)和3种零矢量状态(I7，I8，I9)；且任意导通状态，流过功率开关管的电流幅值均为idc，从而得到三相CSR电流的空间矢量：
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2)将三相电网电压按30°/扇区进行划分，将一个工作周期按逆时针方向划分为12个扇区；且各扇区内，电网相电压有确定的大小关系；
3)根据电流矢量所在的扇区，通过安秒平衡法计算相应有效矢量状态的作用时间；其中，零矢量状态可通过输出侧二极管续流；
4)在各扇区内，依据平均开关电压最小原则，确定对应电流矢量的作用顺序；
5)以三角波作为载波信号，将电流矢量切换时刻的瞬时值与三角载波的瞬时值进行比较，得到各全控开关管的控制脉冲信号；
6)将步骤5)得到的控制脉冲信号进行状态信号分配，从而对各全控开关管进行开关控制。
2.根据权利要求1所述的一种降低电流型PWM整流器开关损耗的调制方法，其特征在于：步骤2)中，各扇区内的电网相电压的关系如下表所示：
表中，ea、eb、ec为三相电网电压。
3.根据权利要求1所述的一种降低电流型PWM整流器开关损耗的调制方法，其特征在于：步骤3)中，各扇区内有效电流矢量状态的作用时间如下表所示：
表中，T1、T2、T3、T4、T5、T6分别为各扇区内对应的电流矢量I1、I2、I3、I4、I5、I6的作用时间。
4.根据权利要求1所述的一种降低电流型PWM整流器开关损耗的调制方法，其特征在于：步骤4中，各扇区内，电流矢量的作用顺序如下表所示：
表中，零矢量状态I0通过输出侧二极管续流。
5.根据权利要求1所述的一种降低电流型PWM整流器开关损耗的调制方法，其特征在于：步骤5)中，所述三角载波周期为Ts，幅值为Ts/2，所述电流矢量切换时刻的瞬时值值为Ta、Tb和Tc；令各扇区内的第一电流矢量和第二电流矢量的作用时间分别为T1＇、T2＇，则有，Ta＝T1＇/2、Tb＝T1＇/2+T2＇/2、Tc＝Ts/2；
其中，零矢量作用的总时间：T0＝Ts-T1＇-T2＇；
当T1＇+T2＇>Ts时，则有：
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