PWM整流器相關(guān)的功率開(kāi)關(guān)器件、主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)詳細(xì)說(shuō)明

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(lái)的十年中將以每年不低于10%的速度遞增，由這類(lèi)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(shì)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(yùn)而生。本文主要對(duì)與PWM整流器相關(guān)的功率開(kāi)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(shuō)明，在此基礎(chǔ)上對(duì)PWM整流技術(shù)的發(fā)展方向加以探討。

1 功率開(kāi)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(mén)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(mén)極控制導(dǎo)通和關(guān)斷，具有通過(guò)電流大、通態(tài)電壓低、導(dǎo)通損耗小，dv/dt耐量高等優(yōu)點(diǎn)，在大功率的場(chǎng)合應(yīng)用較多。但是，GTO的缺點(diǎn)也很明顯，諸如其驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜并且驅(qū)動(dòng)功率大，導(dǎo)致關(guān)斷時(shí)間長(zhǎng)，限制了器件的開(kāi)關(guān)頻率;關(guān)斷過(guò)程中的集膚效應(yīng)容易導(dǎo)致局部過(guò)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(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用，現(xiàn)在GTO主要應(yīng)用在中、大功率場(chǎng)合。

1.2 電力晶體管(GTR)

電力晶體管又稱(chēng)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(dòng)功率較大，但其開(kāi)關(guān)頻率要高于GTO，因而自20世紀(jì)80年代以來(lái)，主要應(yīng)用于中小功率的變頻器或UPS電源等場(chǎng)合。目前其地位大多被絕緣柵雙極晶體管(IGBT)和功率場(chǎng)效應(yīng)管(PowerMOSFET)所取代。

1.3 功率場(chǎng)效應(yīng)管(PowerMOSFET)

功率場(chǎng)效應(yīng)管是用柵極電壓來(lái)控制漏極電流的，屬于電壓控制型器件，因此，它的第一個(gè)顯著特點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，需要的驅(qū)動(dòng)功率小;第二個(gè)顯著特點(diǎn)是開(kāi)關(guān)速度快，工作頻率高。另外，Power MOSFET的熱穩(wěn)定性?xún)?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(guò)10kW的場(chǎng)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(diǎn)于一身，既具有MOSFET的輸入阻抗高、開(kāi)關(guān)速度快的優(yōu)點(diǎn)，又具有GTR耐壓高、流過(guò)電流大的優(yōu)點(diǎn)，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(dòng)，所需驅(qū)動(dòng)功率小，開(kāi)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(chǎng)合。其主要缺點(diǎn)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(shí)，通常須多個(gè)串聯(lián)。

1.5 集成門(mén)極換流晶閘管(IGCT)和對(duì)稱(chēng)門(mén)極換流晶閘管(SGCT)

IGCT是在GTO的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的新型復(fù)合器件，兼有MOSFET和GTO兩者的優(yōu)點(diǎn)，又克服了兩者的不足之處，是一種較為理想的MW級(jí)的高(中)壓開(kāi)關(guān)器件。與MOSFET相比，IGCT通態(tài)電壓更低，承受電壓更高，通過(guò)電流更大;與GTO相比，通態(tài)電壓和開(kāi)關(guān)損耗進(jìn)一步降低，同時(shí)使觸發(fā)電流和通態(tài)時(shí)所需的門(mén)極電流大大減小，有效地提高了系統(tǒng)的開(kāi)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(kāi)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(jiǎn)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(chēng)為對(duì)稱(chēng)門(mén)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(kāi)關(guān)器件的多少可以分為單開(kāi)關(guān)型和多開(kāi)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(jiàn)的三相PWM整流電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并簡(jiǎn)要分析它們的工作特性。

2.1 三相單開(kāi)關(guān)PWM整流電路

三相單開(kāi)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(kāi)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(jiǎn)單，在PWM整流電路中應(yīng)用廣泛。

圖1 三相單開(kāi)關(guān)Boost型

2.1.2 單開(kāi)關(guān)Buck型(降壓型)

電路如圖2所示，與升壓型成對(duì)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(kāi)關(guān)Buck型

2.2 三相多開(kāi)關(guān)PWM整流電路

三相多開(kāi)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(kāi)關(guān)Boost型

亦稱(chēng)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(gè)橋臂上的可關(guān)斷開(kāi)關(guān)管都帶有反并聯(lián)二極管，可以實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)。以A相為例予以說(shuō)明：當(dāng)A相下橋臂中的開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，A相儲(chǔ)能電感儲(chǔ)能;當(dāng)其關(guān)斷時(shí)，A相電感儲(chǔ)能通過(guò)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)?，仍屬于升壓式結(jié)構(gòu)。六開(kāi)關(guān)Boost型PWM整流器的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且宜于實(shí)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(lèi)型，也是多開(kāi)關(guān)PWM整流電路中應(yīng)用最為廣泛的一種。

圖3 三相多開(kāi)關(guān)Boost型

2.2.2 六開(kāi)關(guān)Buck型

也可稱(chēng)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(diǎn)，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(diǎn)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(kāi)關(guān)Boost型。

圖4 三相多開(kāi)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(diǎn)式電路，這種電路也稱(chēng)為中點(diǎn)鉗位型(Neutral Point Clamped)電路。與兩點(diǎn)式PWM相比，三點(diǎn)式PWM調(diào)制波的主要優(yōu)點(diǎn)，一是對(duì)于同樣的基波與諧波要求而言，開(kāi)關(guān)頻率低得多，從而可以大幅度降低開(kāi)關(guān)損耗;二是每個(gè)主開(kāi)關(guān)器件關(guān)斷時(shí)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(chǎng)合。不過(guò)三點(diǎn)式PWM可逆整流器的缺點(diǎn)也是顯而易見(jiàn)的，一方面其主電路拓?fù)涫褂霉β书_(kāi)關(guān)器件較多，另一方面，控制也比兩點(diǎn)式復(fù)雜，尤其是需要解決中點(diǎn)電位平衡問(wèn)題。

圖5 三電平PWM整流電路

從上面的分析可以知道，單開(kāi)關(guān)主電路拓樸結(jié)構(gòu)的共同優(yōu)點(diǎn)在于，控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，且電源可靠性高;缺點(diǎn)在于其應(yīng)用場(chǎng)合受到開(kāi)關(guān)器件的影響，開(kāi)關(guān)器件的耐壓水平高低和開(kāi)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(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)的PWM整流器相比，多開(kāi)關(guān)PWM整流電路的共同優(yōu)點(diǎn)在于功率因數(shù)高，諧波失真小，可實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)，調(diào)節(jié)速度快，應(yīng)用范圍寬，主要應(yīng)用于中大功率場(chǎng)合。缺點(diǎn)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(cè)和控制的點(diǎn)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(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)的PWM整流器，且可實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)，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(shí)達(dá)到單位功率因數(shù)，必須對(duì)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(méi)有引入電流反饋可以將這些控制方法分為兩大類(lèi)：引入交流電流反饋的稱(chēng)為直接電流控制(DCC);沒(méi)有引入交流電流反饋的稱(chēng)為間接電流控制，間接電流控制也稱(chēng)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(guò)控制PWM整流器的交流輸入端電壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入電流的控制。這種控制方法沒(méi)有引入交流電流控制信號(hào)，而是通過(guò)控制輸入端電壓間接控制輸入電流，故稱(chēng)間接電流控制。又因其直接控制量為電壓，所以又稱(chēng)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

間接電流控制引入一個(gè)電壓環(huán)，由電壓環(huán)得到一個(gè)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(guò)兩個(gè)乘法器轉(zhuǎn)換成輸入電流的有功分量ip和無(wú)功分量iq，分別經(jīng)R和ωL環(huán)節(jié)后轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)再與電源電壓相減后，便得到給定電壓調(diào)制信號(hào)，最后與三角波比較產(chǎn)生控制用的PWM信號(hào)，控制主電路的工作。這種控制方式的電路簡(jiǎn)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(huì)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(hào)，對(duì)輸入電流進(jìn)行直接控制，稱(chēng)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(shí)瞬時(shí)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(shuō)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(hào)相乘得到A相電流參考信號(hào)iA*，iA*再與檢測(cè)到的A相電流信號(hào)iA比較，經(jīng)過(guò)滯環(huán)產(chǎn)生PWM調(diào)制波，對(duì)各開(kāi)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(shí)現(xiàn)很方便，控制簡(jiǎn)單，且控制誤差可由滯環(huán)寬度調(diào)節(jié)，若設(shè)計(jì)合適可達(dá)到較高的控制精度，故實(shí)際應(yīng)用較廣。在使用中，器件開(kāi)關(guān)頻率取決于滯環(huán)寬度，導(dǎo)致器件的開(kāi)關(guān)頻率較大，造成器件選擇較難且濾波器的設(shè)計(jì)復(fù)雜。

3.2.2 定時(shí)瞬時(shí)電流比較法控制

圖8所示為定時(shí)瞬時(shí)電流比較法控制的原理圖。定時(shí)瞬時(shí)電流比較法控制與滯環(huán)電流比較法控制類(lèi)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(shí)鐘信號(hào)定時(shí)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(kāi)關(guān)器件的通斷，保證電壓、電流的同相位，且器件的開(kāi)關(guān)頻率固定。

圖8 定時(shí)瞬時(shí)電流比較法控制原理圖

定時(shí)瞬時(shí)電流比較法控制可有效克服滯環(huán)電流控制開(kāi)關(guān)頻率變化的缺點(diǎn)，使開(kāi)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(lèi)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(gè)與電壓同相的單位正弦信號(hào)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(hào)比較后，得到控制用PWM調(diào)制波，控制開(kāi)關(guān)器件的通斷，實(shí)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(kāi)關(guān)頻率固定的優(yōu)點(diǎn)，且單一橋臂的開(kāi)關(guān)控制互補(bǔ)，為建模分析提供了方便，從而可方便地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的諧波分析;在結(jié)構(gòu)上，其控制電路比定時(shí)瞬時(shí)電流比較法控制簡(jiǎn)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(cè)交流側(cè)電流信號(hào)加以控制，系統(tǒng)響應(yīng)快，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，但檢測(cè)量過(guò)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(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢，但其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、檢測(cè)量少、控制簡(jiǎn)單、概念清晰的特點(diǎn)，可得到最優(yōu)的性能價(jià)格比。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述分析，PWM整流技術(shù)的應(yīng)用會(huì)越來(lái)?廣泛，其發(fā)展也會(huì)呈現(xiàn)出多種趨勢(shì)，但主要?dú)w結(jié)為三個(gè)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(lài)以實(shí)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(huì)產(chǎn)生更新、更好的功率器件，從而推動(dòng)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(shì)就是對(duì)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(huì)對(duì)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(huì)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(huì)引起控制方法的變異，甚至?xí)a(chǎn)生更新、更簡(jiǎn)單的控制方法;另一方面，現(xiàn)代控制理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展也為新的方法的出現(xiàn)奠定了堅(jiān)實(shí)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(kāi)始應(yīng)用到PWM整流器的控制中來(lái)。