脈寬調(diào)制整流電路簡介

摘要：脈寬調(diào)制整流技術(shù)具有非常廣闊的應(yīng)用前景。從功率器件，主電路拓樸和控制方法三個方面對其進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，并對其未來發(fā)展進(jìn)行了預(yù)測。

關(guān)鍵詞：脈寬調(diào)制整流器；功率器件；電路拓?fù)?；控制方?

0    引言

    隨著電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，各種電力電子裝置在電力系統(tǒng)、工業(yè)、信息、交通、家庭等眾多領(lǐng)域中的應(yīng)用日益廣泛。電力電子裝置的非線性，引起網(wǎng)側(cè)電流、電壓波形的嚴(yán)重畸變，導(dǎo)致了日趨嚴(yán)重的諧波污染。相關(guān)資料表明，電力電子裝置生產(chǎn)量在未來的十年中將以每年不低于10％的速度遞增，由這類裝置所產(chǎn)生的高次諧波約占總諧波源的70％以上。因此，諧波治理勢在必行。

    為了抑制電力電子裝置產(chǎn)生的諧波，功率因數(shù)校正技術(shù)應(yīng)運而生。本文主要對與PWM整流器相關(guān)的功率開關(guān)器件、主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方式等進(jìn)行詳細(xì)說明，在此基礎(chǔ)上對PWM整流技術(shù)的發(fā)展方向加以探討。

1    功率開關(guān)器件

    PWM整流器的基礎(chǔ)是電力電子器件，其與普通整流器和相控整流器的不同之處是采用了全控型器件。目前在PWM整流器中得到廣泛應(yīng)用的電力電子器件主要有如下幾種。

1.1    門極可關(guān)斷晶閘管(GTO)

    GTO是最早的大功率可關(guān)斷器件，是目前阻斷電壓最高和通態(tài)電流最大的全控型器件，已達(dá)6kV/6kA的制造水平。它由門極控制導(dǎo)通和關(guān)斷，具有通過電流大、通態(tài)電壓低、導(dǎo)通損耗小，dv/dt耐量高等優(yōu)點，在大功率的場合應(yīng)用較多。但是，GTO的缺點也很明顯，諸如其驅(qū)動電路復(fù)雜并且驅(qū)動功率大，導(dǎo)致關(guān)斷時間長，限制了器件的開關(guān)頻率；關(guān)斷過程中的集膚效應(yīng)容易導(dǎo)致局部過熱，嚴(yán)重情況下使器件失效；為了限制dv/dt，需要復(fù)雜的緩沖電路，這些都限制了GTO在各個領(lǐng)域的應(yīng)用，現(xiàn)在GTO主要應(yīng)用在中、大功率場合。

1.2    電力晶體管（GTR）

    電力晶體管又稱為巨型晶體管，是一種耐高壓、大電流的雙極型晶體管，該器件與GTO一樣都是電流控制型器件，因而所需驅(qū)動功率較大，但其開關(guān)頻率要高于GTO，因而自20世紀(jì)80年代以來，主要應(yīng)用于中小功率的變頻器或UPS電源等場合。目前其地位大多被絕緣柵雙極晶體管(IGBT)和功率場效應(yīng)管（PowerMOSFET）所取代。

1.3    功率場效應(yīng)管（PowerMOSFET）

    功率場效應(yīng)管是用柵極電壓來控制漏極電流的，屬于電壓控制型器件，因此，它的第一個顯著特點是驅(qū)動電路簡單，需要的驅(qū)動功率?。坏诙€顯著特點是開關(guān)速度快，工作頻率高。另外，Power MOSFET的熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTR。但是Power MOSFET電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過10kW的場合。

1.4    絕緣柵雙極晶體管(IGBT)

    IGBT是后起之秀，集MOSFET和GTR的優(yōu)點于一身，既具有MOSFET的輸入阻抗高、開關(guān)速度快的優(yōu)點，又具有GTR耐壓高、流過電流大的優(yōu)點，是目前中等功率電力電子裝置中的主流器件。目前的制造水平已經(jīng)達(dá)到3.3kV/1.2kA。柵極為電壓驅(qū)動，所需驅(qū)動功率小，開關(guān)損耗小、工作頻率高，不需緩沖電路，適用于較高頻率的場合。其主要缺點是高壓IGBT內(nèi)阻大，通態(tài)電壓高，導(dǎo)致導(dǎo)通損耗大；在應(yīng)用于高（中）壓領(lǐng)域時，通常須多個串聯(lián)。

1.5    集成門極換流晶閘管(IGCT)和對稱門極換流晶閘管(SGCT)

    IGCT是在GTO的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型復(fù)合器件，兼有MOSFET和GTO兩者的優(yōu)點，又克服了兩者的不足之處，是一種較為理想的MW級的高（中）壓開關(guān)器件。與MOSFET相比，IGCT通態(tài)電壓更低，承受電壓更高，通過電流更大；與GTO相比，通態(tài)電壓和開關(guān)損耗進(jìn)一步降低，同時使觸發(fā)電流和通態(tài)時所需的門極電流大大減小，有效地提高了系統(tǒng)的開關(guān)速度。IGCT采用的低電感封裝技術(shù)使得其在感性負(fù)載下的開通特性得到顯著改善。與GTO相比，IGCT的體積更小，便于和反向續(xù)流二極管集成在一起，這樣就大大簡化了電壓型PWM整流器的結(jié)構(gòu)，提高了裝置的可靠性。其改進(jìn)形式之一稱為對稱門極換流晶閘管(SGCT)，兩者的特性相似，不同之處是SGCT可雙向控制電壓，主要應(yīng)用于電流型PWM中。目前，兩者的制造水平已經(jīng)達(dá)到6kV/6kA。

2    PWM整流器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

    PWM整流器根據(jù)主電路中開關(guān)器件的多少可以分為單開關(guān)型和多開關(guān)型；根據(jù)輸入電源相數(shù)可以分為單相PWM整流電路和三相PWM整流電路；根據(jù)輸出要求可以分為電壓源型和電流源型。下面介紹幾種常見的三相PWM整流電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并簡要分析它們的工作特性。

2.1    三相單開關(guān)PWM整流電路

    三相單開關(guān)PWM整流器的主電路拓樸結(jié)構(gòu)主要有如下幾種。

2.1.1    單開關(guān)Boost型（升壓型）

    電路如圖1所示，其中輸出電壓恒定，工作于電流斷續(xù)模式（DCM），這種電路結(jié)構(gòu)簡單，在PWM整流電路中應(yīng)用廣泛。

圖1    三相單開關(guān)Boost型

2.1.2    單開關(guān)Buck型（降壓型）

    電路如圖2所示，與升壓型成對偶關(guān)系，其輸出電流恒定，輸出電壓較低，工作于斷續(xù)電流模式（DCM）。

圖2    三相單開關(guān)Buck型 [!--empirenews.page--]

2.2    三相多開關(guān)PWM整流電路

    三相多開關(guān)PWM整流器的主電路拓樸結(jié)構(gòu)主要有如下幾種。

2.2.1    六開關(guān)Boost型

    亦稱為兩電平電壓型整流器或三相橋式可逆PWM整流器。電路如圖3所示，每個橋臂上的可關(guān)斷開關(guān)管都帶有反并聯(lián)二極管，可以實現(xiàn)能量的雙向流動。以A相為例予以說明：當(dāng)A相下橋臂中的開關(guān)管導(dǎo)通時，A相儲能電感儲能；當(dāng)其關(guān)斷時，A相電感儲能通過上橋臂的二極管向直流側(cè)釋放磁能。因此，從廣義上講，這種橋式PWM可逆整流器拓?fù)洌詫儆谏龎菏浇Y(jié)構(gòu)。六開關(guān)Boost型PWM整流器的特點是結(jié)構(gòu)簡單且宜于實現(xiàn)有源逆變，因而是目前應(yīng)用和研究最為活躍的一種類型，也是多開關(guān)PWM整流電路中應(yīng)用最為廣泛的一種。

圖3    三相多開關(guān)Boost型

2.2.2    六開關(guān)Buck型

    也可稱為兩電平電流型整流器，電路如圖4所示，直流側(cè)電抗器一般要求很大。由于電流型變換器的特點，交流側(cè)輸入LC濾波器通常是必不可少的，以改善電流波形和功率因數(shù)。這種電路拓樸較適合于空間矢量調(diào)制，且有降壓作用。其缺點是直流側(cè)大電感內(nèi)阻較大，消耗功率較大導(dǎo)致其效率略低于六開關(guān)Boost型。

圖4    三相多開關(guān)Buck型

2.2.3    三電平PWM整流電路

    在大功率PWM變流裝置中，常采用拓樸結(jié)構(gòu)如圖5所示的三點式電路，這種電路也稱為中點鉗位型(Neutral Point Clamped)電路。與兩點式PWM相比，三點式PWM調(diào)制波的主要優(yōu)點，一是對于同樣的基波與諧波要求而言，開關(guān)頻率低得多，從而可以大幅度降低開關(guān)損耗；二是每個主開關(guān)器件關(guān)斷時所承受的電壓僅為直流側(cè)電壓的一半，因此，這種電路特別適合于高電壓大容量的應(yīng)用場合。不過三點式PWM可逆整流器的缺點也是顯而易見的，一方面其主電路拓?fù)涫褂霉β书_關(guān)器件較多，另一方面，控制也比兩點式復(fù)雜，尤其是需要解決中點電位平衡問題。

圖5    三電平PWM整流電路

    從上面的分析可以知道，單開關(guān)主電路拓樸結(jié)構(gòu)的共同優(yōu)點在于，控制結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，且電源可靠性高；缺點在于其應(yīng)用場合受到開關(guān)器件的影響，開關(guān)器件的耐壓水平高低和開關(guān)頻率的高低限制了這種電路的應(yīng)用，其主要應(yīng)用于中小功率的變頻器或UPS電源。

    與單開關(guān)結(jié)構(gòu)的PWM整流器相比，多開關(guān)PWM整流電路的共同優(yōu)點在于功率因數(shù)高，諧波失真小，可實現(xiàn)能量的雙向流動，調(diào)節(jié)速度快，應(yīng)用范圍寬，主要應(yīng)用于中大功率場合。缺點也很突出，諸如電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制難度大，而且需要檢測和控制的點較多，提高了控制成本；器件的增多也降低了系統(tǒng)的可靠性。但由于其性能指標(biāo)要高于單開關(guān)結(jié)構(gòu)的PWM整流器，且可實現(xiàn)能量的雙向流動，是很有發(fā)展前途的拓樸結(jié)構(gòu)。

3    控制方式

    控制技術(shù)是PWM高頻整流器發(fā)展的關(guān)鍵。要使PWM整流器工作時達(dá)到單位功率因數(shù)，必須對電流進(jìn)行控制，保證其為正弦且與電壓同相或反相。根據(jù)有沒有引入電流反饋可以將這些控制方法分為兩大類：引入交流電流反饋的稱為直接電流控制（DCC）；沒有引入交流電流反饋的稱為間接電流控制，間接電流控制也稱為相位幅值控制（PAC）。

3.1    間接電流控制

    間接電流控制就是通過控制PWM整流器的交流輸入端電壓，實現(xiàn)對輸入電流的控制。這種控制方法沒有引入交流電流控制信號，而是通過控制輸入端電壓間接控制輸入電流，故稱間接電流控制。又因其直接控制量為電壓，所以又稱為相位幅值控制。其原理圖如圖6所示。

圖6    間接電流控制框圖 [!--empirenews.page--]

    間接電流控制引入一個電壓環(huán)，由電壓環(huán)得到一個與整流電路輸出功率相匹配的輸入電流幅值給定。再經(jīng)過兩個乘法器轉(zhuǎn)換成輸入電流的有功分量i_p和無功分量i_q，分別經(jīng)R和ω_L環(huán)節(jié)后轉(zhuǎn)換成電壓信號再與電源電壓相減后，便得到給定電壓調(diào)制信號，最后與三角波比較產(chǎn)生控制用的PWM信號，控制主電路的工作。這種控制方式的電路簡單，但由于缺少了電流環(huán)，響應(yīng)速度受到一定程度的影響；另外，用到了電路參數(shù)R及L，電路參數(shù)與給定參數(shù)一致性較差，也會影響控制的精度。

3.2    直接電流控制

    與間接電流控制相反，在控制電路中引入交流輸入電流反饋信號，對輸入電流進(jìn)行直接控制，稱為直接電流控制。根據(jù)電流跟蹤方法的不同，直接電流控制可分為滯環(huán)電流比較法控制、定時瞬時電流比較法控制和三角波電流比較法控制等。

3.2.1    滯環(huán)電流比較法控制

    圖7所示為滯環(huán)電流比較法控制的原理圖。以其中A相進(jìn)行說明，基本工作原理是電壓調(diào)節(jié)器輸出與和電源電壓同相位的單位正弦信號相乘得到A相電流參考信號i_A＊，i_A＊再與檢測到的A相電流信號i_A比較，經(jīng)過滯環(huán)產(chǎn)生PWM調(diào)制波，對各開關(guān)器件進(jìn)行控制，達(dá)到控制電流與電壓完全同相或反相的目的。

圖7    滯環(huán)電流比較法控制原理圖

    滯環(huán)電流比較法控制實現(xiàn)很方便，控制簡單，且控制誤差可由滯環(huán)寬度調(diào)節(jié)，若設(shè)計合適可達(dá)到較高的控制精度，故實際應(yīng)用較廣。在使用中，器件開關(guān)頻率取決于滯環(huán)寬度，導(dǎo)致器件的開關(guān)頻率較大，造成器件選擇較難且濾波器的設(shè)計復(fù)雜。

3.2.2    定時瞬時電流比較法控制

    圖8所示為定時瞬時電流比較法控制的原理圖。定時瞬時電流比較法控制與滯環(huán)電流比較法控制類似，都包括電壓、電流反饋且PWM調(diào)制波產(chǎn)生方法也相同。不同之處是，引入時鐘信號定時將反饋電流與指令電流進(jìn)行比較，產(chǎn)生PWM調(diào)制波控制開關(guān)器件的通斷，保證電壓、電流的同相位，且器件的開關(guān)頻率固定。

圖8    定時瞬時電流比較法控制原理圖

    定時瞬時電流比較法控制可有效克服滯環(huán)電流控制開關(guān)頻率變化的缺點，使開關(guān)頻率固定，但電流跟蹤誤差受到電網(wǎng)電壓影響，且控制電路要比滯環(huán)電流比較法復(fù)雜。

3.2.3    三角波電流比較法控制

    圖9所示為三角波電流比較法控制的原理圖。與前面兩種控制方法類似，電路中也包括電流滯環(huán)和電壓環(huán)，電流指令由電壓環(huán)PI輸出和一個與電壓同相的單位正弦信號相乘得到，指令電流和反饋電流經(jīng)電流調(diào)節(jié)器后與三角波信號比較后，得到控制用PWM調(diào)制波，控制開關(guān)器件的通斷，實現(xiàn)輸出電流跟蹤指令電流。

圖9    三角波電流比較法控制原理圖

    三角波電流比較法控制也具有開關(guān)頻率固定的優(yōu)點，且單一橋臂的開關(guān)控制互補(bǔ)，為建模分析提供了方便，從而可方便地實現(xiàn)系統(tǒng)的諧波分析；在結(jié)構(gòu)上，其控制電路比定時瞬時電流比較法控制簡單，因而具有廣闊的應(yīng)用前景。

    在直接電流控制中直接檢測交流側(cè)電流信號加以控制，系統(tǒng)響應(yīng)快，動態(tài)響應(yīng)好，但檢測量過多，控制復(fù)雜。間接電流控制從穩(wěn)態(tài)相量關(guān)系出發(fā)進(jìn)行電流控制，盡管動態(tài)響應(yīng)較慢，但其具有結(jié)構(gòu)簡單、檢測量少、控制簡單、概念清晰的特點，可得到最優(yōu)的性能價格比。

4    結(jié)語

    通過上述分析，PWM整流技術(shù)的應(yīng)用會越來?廣泛，其發(fā)展也會呈現(xiàn)出多種趨勢，但主要歸結(jié)為三個方面：功率器件、主電路拓樸和控制方法。

    1）新型全控型器件的發(fā)展器件是PWM整流技術(shù)賴以實現(xiàn)的基礎(chǔ)，新技術(shù)的出現(xiàn)和新材料的應(yīng)用，必然會產(chǎn)生更新、更好的功率器件，從而推動PWM整流技術(shù)的發(fā)展。

    2）主電路拓樸PWM整流器的最大優(yōu)勢就是對電網(wǎng)的影響較小，為了進(jìn)一步降低影響，提高功率因數(shù)，人們必然會對整流器的拓樸結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)五電平、七電平結(jié)構(gòu)，隨著功率器件和應(yīng)用水平的提高，必然會有更新、更好的電路拓樸結(jié)構(gòu)出現(xiàn)。

    3）控制方法一方面，主電路拓樸的多樣化，必然會引起控制方法的變異，甚至?xí)a(chǎn)生更新、更簡單的控制方法；另一方面，現(xiàn)代控制理論和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展也為新的方法的出現(xiàn)奠定了堅實的基礎(chǔ)，現(xiàn)在狀態(tài)反饋控制、變結(jié)構(gòu)控制已經(jīng)開始應(yīng)用到PWM整流器的控制中來。