一種抑制Swiss 整流器低頻管啟動電流的控制策略

王永生，陸楊軍

（上海杰瑞兆新信息科技有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引 言

目前，在三相大功率用電設備、電動汽車充電樁等領域，為滿足電網相關法規要求，交流/直流（Alternating Current/Direct Current，AC/DC）轉換環節均須配備功率因數校正（Power Factor Correction，PFC）設備。傳統的不控整流雖然成本低，結構簡單，但會產生大量諧波，且功率因數低。隨著社會的發展，具有效率高、諧波含量低等特點的PFC 設備將獲得廣泛應用。

傳統的電流型整流器多采用六開關降壓拓撲，控制較為復雜[1]。Swiss 整流器作為一種新式降壓型整流器，具備結構簡單、效率高、電流畸變率低等優點[2]。文獻[3]對Swiss 整流器用于電動汽車充電樁進行了研究，介紹了一種新型的LC 濾波阻尼控制方法。文獻[4]對不同調制策略下六開關Buck 整流器和Swiss 整流器進行了綜合比較，評估了矢量調制和載波調制條件下各自拓撲的損耗、電流質量、效率等指標。文獻[5]提出了一種換相區邊界電流畸變的抑制措施。國內外論文介紹了三次諧波注入網絡低頻管的控制方法，但沒有給出啟動策略。

文章介紹Swiss 整流器的基本原理和控制策略，針對實際應用中非優化策略下三次諧波注入網絡（低頻管）啟動沖擊電流大的問題，提出一種基于電網電壓瞬時值的優化啟動控制策略，以抑制沖擊電流，并搭建了系統樣機進行試驗驗證。

1 Swiss 整流器電路結構與原理

Swiss 整流器的拓撲結構如圖1 所示，包括網側濾波電感LF、濾波電容CF、三相整流橋、功率開關、直流側電感以及直流側電容等。其中，功率開關部分由三相低頻管和正負母線Buck 拓撲組成。三相電網的相電壓分別用為eA、eB、eC表示。

圖1 Swiss 整流器拓撲

一個電網周期的三相電網電壓波形圖及電網電壓合成矢量圖如圖2 所示[6]。低頻管Sa、Sb、Sc的調制策略如表1 所示，表中1 表示該低頻管處于導通狀態，0 表示關斷狀態。低頻管調制策略的主要作用是補償網側電流死區，且周期內任意時刻都只有一相導通。

表1 低頻管調制策略

圖2 三相電網電壓波形圖及電網電壓合成矢量圖

以電網電壓的0 ～30°相位為例，根據圖1 中QH、QL的開關狀態，可以分為（ON，ON）、（ON，OFF）、（OFF，ON）、（OFF，OFF）共4 種組合，其中ON 表示導通，OFF 表示關斷。每個模態下的電流矢量為

式中：itotal為合成電流矢量；ia、ib、ic為三相電流；IDC為直流側電流。合理分配式（2）～式（5）中4 個基礎電流矢量的作用時間，可以控制合成電流矢量itotal，實現高功率因數[7]。

2 低頻管沖擊電流產生機理及抑制策略

針對5 kW 的實際使用需求，考慮電磁兼容、總諧波失真（Total Harmonic Distortion，THD）和功率因數等因素，對Swiss 整流器主電路進行了詳細設計。Swiss 整流器啟動過程采用低頻管先啟動、Buck 拓撲再啟動的模式。

以電網電壓的0 ～30°相位為例，低頻管啟動前后的電路模態如圖3 所示，考慮實際工程應用中的電磁兼容及性能要求，主拓撲電路加入輸入濾波電容、濾波電感和直流側高頻濾波電容。

圖3 低頻管啟動前后的電路模態

圖3（a）為低頻管啟動前的電路模態，此時高頻管QH、QL處于關斷狀態。穩態條件下忽略電感和二極管壓降，直流側的濾波電容電壓為

式中：max()為取最大值函數；min()為取最小值函數。圖3（b）為低頻管啟動后的電路模態，此時高頻管QH、QL處于關斷狀態，Sb=1。穩態條件下忽略電感和二極管壓降，直流側濾波電容電壓為

式中：mid()為取中值函數。

電網電壓在有效值為220 V、頻率為50 Hz 條件下式（6）和式（7）的圖形如圖4 所示。由圖4 可見，在電網電壓相位為時進行低頻管啟動，直流側高頻濾波電容電壓不會發生突變，在其他相位條件下啟動低頻管，直流側高頻濾波電容電壓壓差較大且電路中阻抗較小，故浪涌沖擊電流較大，極有可能損壞低頻管器件。其中，在電網電壓相位為時，直流側高頻濾波電容電壓壓差最大。

圖4 低頻管啟動前后直流側濾波電容的電壓波形

3 實 驗

為驗證理論分析的正確性和措施的有效性，采用一臺5 kW 的Swiss 整流器進行驗證，TMS320F28069型數字信號處理器作為主控制器。采用抑制策略前后的沖擊電流波形圖如圖5 所示。圖5（a）為未采用抑制策略的低頻管沖擊電流波形，可見低頻管導通瞬間，流過的電流急劇增大，峰值達到57 A，振蕩結束后恢復為0。圖5（b）為采用抑制策略后的低頻管沖擊電流波形，可見低頻管在相電壓過零點處導通，且導通瞬間流過電流，峰值達到7 A，振蕩結束后恢復為0。

圖5 采用抑制策略前后沖擊電流波形

4 結 論

文章研究了一種基于Swiss 整流器的低頻管啟動控制策略，主要用于抑制低頻管啟動過程中的沖擊電流，通過理論分析給出了沖擊電流產生的機理并在此基礎中提出了控制策略，通過試驗驗證了該策略的有效性。