（农业电气化与自动化专业论文）基于单晶炉电源的三相pwm整流器研究.pdf

独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中己注明引用的内容以外，本论文不包含任何其他个人 或集体己经发表或撰写过的作品成果，也不包含为获得江苏大学或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己 在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：- b 萍0 珏 2 0 11 年6 月1 2 日 学位论文版权使用授权书 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致， 允许论文被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国 学位论文全文数据库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂 志社将本论文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。 论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密口。 学位论文作者签名：乌落 矽f 年歹月fr 白 指剥币签狲墨呻 f ，年6 月多日 江苏大学硕士学位论文 要 单晶炉电源是一种低电压大电流整流电源，通过给单晶炉内的石墨加热器加 热，为单晶硅的生产提供热场；而热场的稳定性是影响单晶硅质量的一个关键因 素，因此为了提高单晶硅的质量，必须提高单晶炉电源的性能及稳定性。 本文首先对单晶炉电源的现状及发展方向作了分析，并对比分析了p w m 高 频整流单晶炉电源与传统的相控整流电源的工作性能。然后针对目前单晶硅行业 普遍采用的可控硅相控整流存在的功率因数低、输出直流电压稳定性差、快速响 应慢等缺点，将p w m 整流器技术引入到单晶硅电源的设计中，从而提高电源的 整体性能，提高功率因数，降低谐波污染。 本文详细分析了p w m 整流器的工作原理及拓扑结构，分析主电路的设计方 法及关键器件的选型，讨论单晶炉电源中三相电压型p w m 整流器系统的硬件电 路设计。根据单晶炉电源控制要求，对比分析p w m 单周控制和空间电压矢量脉 宽调铜j ( s v p w m ) 。针对基于s v p w m 控制的电压型p w m 整流器控制系统中双 闭环控制设计原理及p w m 单周控制存在的缺点，提出了一种基于p w m 单周控 制的双环控制，给出了设计过程。p w m 单周双环控制具有功率因数高、抗负载 扰动强、可以消除直流偏置等优点。 本文在理论分析的基础上，利用m a t l a b s i m u l i i l l ( 提供的电子工具箱，搭 建了基于p w m 单周双环控制的单晶炉电源系统模块和基于s v p w m 双闭环控制 的单晶炉电源系统模块，进行仿真比较，验证了基于p w m 单周双环控制的单晶 炉电源系统设计的合理性及正确性，为研究和开发新型单晶炉电源p w m 整流器 提供了依据，具有非常重要的研究意义及实用价值。 关键词：整流器，单周控制，单晶炉电源，空间电压矢量，c p l d 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t m o n o c r y s t a l l i n es i l i c o nf u r n a c ep o w e ri sak i n do fh i g hc u r r e n t ，l o wv o l t a g e a c d cc o n v e r t e r ，i ti su s e dt o p r o v i d ee n e r g yf o rt h eg r a p h i t eh e a t e ri n s i d et h e m o n o 。c r y s t a l l i n es i l i c o nf u r n a c e t h es t a b i l i t yo ft h et h e r m a lf i e l di sg r e a ti m p o r t a n t f o rt h ep r o d u c t i o no fm o n o - c r y s t a l l i n e s i l i c o n ，i tm a ya f f e c tt h eq u a l i t yo ft h e m o n o c r y s t a l l i n es i l i c o n s ot h ei m p r o v e m e n to ft h ep e r f o r m a n c ea n ds t a b i l i t yo ft h e p o w e rs u p p l ym a yl a r g e l yi m p r o v et h eq u a l i t yo fm o n o c r y s t a l l i n es i l i c o n t h i sp a p e ra n a l y z e st h ec u r r e n ts i t u a t i o na n dp r o s p e c to ft h em o n o - c r y s t a l l i n e s i l i c o nf u m a c ep o w e r s u p p l y i nv i e wo fs h o r t c o m i n g so fl o w 西dp o w e rf a c t o r , p o o r o u tp u tv o l t a g es t a b i l i t y ，s l o wr e s p o n s eo ft r a d i t i o n a ls c r p o w e rs u p p l y ，p w m r e c t i f i e ri si n t r o d u c e di n t ot h ed e s i g n i n go fm o n o - c r y s t a l l i n es i l i c o nf u r n a c ep o w e r s u p p l ys oa st oi m p r o v e t h ep e r f o r m a n c e ，t h ep o w e rf a c t o ra n dr e d u c et h eh a r m o n i c s t h ep a p e ri n t r o d u c e st h et h e o r yo ft h r e e - p h a s ev o l t a g es o u r c ep w mr e c t i f i e ri n d e t a i l sa n da n a l y z e st h eb a s i cp a r a m e t e r so ft h er e c t i f i e rs y s t e m ，i t ss e l e c t i o ni sg i v e n ， t h e nd i s c u s s e st h eh a r d w a r ec i r c u i td e s i g n a t i o no ft h ec o n t r o ls y s t e m a c c o r d i n gt o t h er e q u i r e m e n to fm o n o - c r y s t a l l i n es i l i c o nf u r n a c ep o w e rs u p p l y , c o m p a r e dw i t h p w mo n e c y c l ec o n t r o la n dt h es p a c ev e c t o rp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n t h i sp a p e r a n a l y s e st h ed u a ll o o p sc o n t r o lo fp w mr e c t i f i e r , d e s i g n a t i o nm e t h o do fc u r r e n tl o o p a n dv o l t a g el o o pa r eg i v e n b a s e do nt h et h e r i t yo fd u a ll o o pc o n t r o la n dp w m o n e 。c y c l ec o n t r o lm e t h o d ，an e wm e t h o d p w mo n e - c y c l ed u a ll o o pc o n t r o li sg i v e n a n dt h ed e s i g n a t i o ni sg i v e n ，a n di m p r o v e dp w m o n e c y c l ec o n t r o lm e t h o dw i t hh i g h p o w e rf a c t o r , s t r o n gd i s t u r b a n c e sa n di ta l s oc a ne l i m i n a t ed cb i a s b a s e do nt h ea l la n a l y s i s ，t h em o n o c r y s t a lf u m a c ep o w e rs y s t e mo fs v p w m d u a ll o o pa n dp w m o n e c y c l ei ss e tu pb ym a t l a b s i m u l i n k ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t s c o n f i r mf e a s i b i l i t ya n dc o r r e c t e do fp w m o n e c y c l ec o n t r o ls y s t e m p w mo n e c y c l e m e t h o ds u p p l yan e wr o a do fm o n o c r y s t a l l i n es i l i c o nf u r n a c ep o w e r ，a n dt h i sp a p e r w i l lo f f e rt h ep r a c t i c a lv a l u e k e yw o r d ：r e c t i f i e r , o n e c y c l ec o n t r o l ，m o n o c r y s t a l l i n es i l i c o nf u r n a c ep o w e r s u p p l y , s v p w m ，c p l d 江苏大学硕士学位论文 目录 第一章绪论1 1 1 研究目的及意义1 1 2 单晶炉电源国内外现状及发展趋势2 1 3p w m 整流技术发展概况4 1 4 本文主要内容一7 第二章三相电压型p w m 整流器工作原理。9 2 1p w m 整流器拓扑结构9 2 2 三相电压型p w m 整流器工作原理1 2 2 1 3 三相电压型p w m 整流器工作过程分析1 4 2 4 三相电压型p w m 整流器数学模型1 7 2 5 本章小结2 1 第三章单晶炉电源系统结构设计2 2 3 1 系统结构框图2 2 3 2 主要技术指标2 2 3 3 单晶炉电源系统主电路设计2 3 3 3 1 单晶炉电源主电路基本结构2 3 3 3 2 多功率单元结构形式及分析2 4 3 4 单晶炉电源系统主要参数设计2 6 3 4 1 三相电压型p w m 整流器直流侧电压的设计2 6 3 4 2 三相电压型p w m 整流器交流侧电感的设计2 6 3 4 3 三相电压型p w m 整流器直流侧电容的设计2 9 3 4 4 功率器件选取3 3 3 5 外围电路设计3 4 3 5 1 软启动电路设计3 4 3 5 2 交流侧电流检测电路设计3 6 3 5 3 交流侧电压检测电路设计3 7 i i i 江苏大学硕士学位论文 3 6 本章小结3 7 第四章单晶炉电源的整流器控制3 8 4 1 单晶炉电源的p w m 调制技术3 8 4 1 1s v p w m 调制技术3 8 4 1 2p w m 单周控制技术4 0 4 2p w m 整流器系统双闭环控制设计4 2 4 2 1 电流内环设计4 2 4 2 2 电压外环设计4 4 4 3 基于p w m 单周双环控制的整流器系统设计4 6 4 3 1 经典的p w m 单周控制整流系统4 6 4 3 2 基于p w m 单周控制的双环控制系统设计4 9 4 3 3 基于p w m 单周双环控制的整流器系统仿真5 2 4 4 本章小结5 4 第五章仿真及结果分析5 5 5 1 单晶炉电源系统模型5 5 5 1 1 基于s v p w m 的系统模型5 5 5 1 2 基于p w m 单周控制的系统模型5 7 5 2 系统仿真及比较分析5 9 5 2 1 系统满载时仿真分析6 0 5 2 2 系统负载变化时仿真分析6 2 5 3 本章小结6 6 第六章结论与展望6 7 6 1 工作总结6 7 6 2 研究展望6 7 参考文献6 9 致谢。 硕士期间发表的论文7 4 i v 江苏大学硕士学位论文 1 1 研究目的及意义 第一章绪论果一早三否比 单晶硅是一种非金属元素，属于半导体材料类，是电子信息材料中最为基础 的材料，广泛应用于太阳能光伏电池产业和电子信息产业。随着科学技术的发展， 单晶硅也渗入到通讯、航天、宇航等高科技领域及现代军事技术中，全球超过 2 0 0 0 亿美元的电子通信半导体市场中9 5 以上的半导体器件及9 9 以上的集成 电路使用硅材料f 1 1 。进入2 1 世纪，世界光伏产业以3 1 2 的年平均增长率高速发 展，位于全球能源发电市场增长率的首位，预计到2 0 5 0 年光伏产业将成为全球 重要的能源支柱产业之一1 2 1 。各领域对单晶硅的需求日益增加，单晶炉作为生产 单晶硅的主要设备起到了非常显著的作用。单晶生长过程中提供热源的主要设备 大功率单晶硅直流电源，得到了更加广泛的应用与关注。 单晶炉电源作为一种大功率电源，它直接给生产单晶硅的设备单晶炉供 电，因此单晶炉电源性能的优劣直接影响到单晶硅的生产质量。同时，由于社会 对绿色能源的关注度越来越高，对单晶炉电源的实时性、智能型及可靠性开发提 出了更高的要求。高功率因数、高精度、低谐波畸变直流电源成为电力电子行业 的一个重要研究方向 1 , 4 - 5 l 。 单晶炉直流电源大多数采用交一直电压型结构，其中整流环节广泛采用三相 可控硅( 晶闸管) 相控整流电路，但是相控整流电路会产生大量的谐波电流，并且 谐波含量与可控硅的导通角度有关，即单晶炉在熔料时谐波含量随着熔料的功率 增加而增大【2 1 。为了解决相控整流电路功率因数低、谐波污染大的缺点，本文将 p w m 整流技术引入到单晶炉直流电源整流器控制中，使单晶炉电源不仅具有电 能双向流动、输出直流电压稳定度高、电流响应速度快、电源可靠性高的优点， 而且满载时功率因数达到0 9 5 以上。p w m 整流技术具备的优点大大改进了单晶 炉电源的性能 4 , 7 , 9 1 。 将p w m 整流技术引入单晶炉直流电源中，可以实现整流器输入电流、输入 电压同相位，并且波形接近正弦波，功率因数值接近l ，输入电流的谐波含量趋 近0 ；能够实现能量的双向流动；当负载发生变化时，响应速度快 6 , 7 , 2 1 1 。单晶炉 江苏大学硕士学位论文 电源集高功率因数与脉宽调制技术于一体，是当代电力电子学理论发展的最新体 现，具有重要的研究意义1 2 , s j 4 1 。 1 2 单晶炉电源国内外现状及发展趋势 单晶炉电源是一种低电压大电流直流电源，输出电压3 8 0 v + 1 0 ，输出的能 量可以直接给单晶炉内的石墨加热器供热。根据单晶硅生产工艺的要求，控温精 度要求达到0 5 9 a o l ，加热温度范围为0 - 2 0 0 0 ，因此，单晶硅电源输出的直流 电必须精确、稳定，并且能够快速响应。 目前，单晶硅行业所采用的加热电源主要有两种，一种是可控硅( 晶闸管) 相 控整流电源，另一种是高频p w m 直流电源。与直流电机电源相比，可控硅电源 输出的电能质量有了很大的提高，在额定负载下可以获得满意的效果，是单晶硅 行业应用最为广泛的电源f 1 1 。 图1 1 晶闸管加热电源 晶闸管整流电源结构如图1 1 所示。由三相干式变压器经三相可控硅( 晶闸管) 桥式整流电路将交流电整流为直流电供单晶炉冶炼并拉制出单晶棒【s i 。晶闸管是 一种能够被控制导通而不能被控制关断的不具有自我关断能力的电力半导体器 件。正向具有双稳态的特点，即导通状态( 通态) 和阻断状态( 断态) 。对于晶闸管 来说，为了使从通态进入断态，只有从外部切断电流，或者在阳极和阴极之间加 上反向电压即强迫换流1 2 7 1 。晶闸管整流器直流电源，是市电电网的一种非线性负 载，对电网有很强的污染，电网电压容易发生畸变。晶闸管整流电源的缺点是： ( 1 ) 晶闸管整流器是相控电源，只能工作于工频，装置体积较大，且功率因数低， 一般为0 6 0 7 l 1 ；( 2 ) 晶闸管整流器对市电电网有较强的污染，整流效果差，稳 压精度低。晶闸管整流器的缺点严重影响单晶硅的生产质量。 2 江苏大学硕士学位论文 2 0 世纪8 0 年代，一批全新的全控型功率器件：功率m o s f e t 、绝缘门极双 极晶体管i g b t 的出现为直流电源向高频发展带来了机遇，实现用电设备的高效 节能1 1 2 l 。同时，随着国家和社会对节能、环保等问题的日趋关注，可控硅的缺 点日益突出，p w m 高频整流电源在单晶硅行业的研究和应用逐渐增加，为实现 高效化、绿色化奠定了基础。 p w m 高频整流单晶炉电源框图如图1 2 所示l jj , 1 3 1 。3 8 0 v 三相交流电经过 p w m 整流器整流后，将直流高压加在逆变电路上，全桥逆变电路逆变输出的高 频交流脉冲经变压器形成低压高频脉冲，此低压高频脉冲经高频变压器和整流滤 波电路转换为稳定的直流输出电压，向负载输出能量。将p w m 整流技术应用到 高频直流电源中，电源稳压、稳流精度得到了大大提高，而且动态响应时间短， 体积小、重量轻，是一种性价比非常优异的节能环保型直流电源。 图1 2p w m 整流加热电源的原理框图 随着电子信息产业及光伏太阳能产业的发展对单晶硅的品质提出了更高的 要求，同时也对单晶硅直流电源的性能提出了更高的要求，进而带动单晶炉电源 不断向大功率、高频化、高效率、高可靠性方向发展。目前，单晶炉直流电源技 术发展主要表现在以下几个方面l 1 4 1 ： 一、高频化高性能化 由于电气产品的变压器、电感和电容的体积与供电频率的平方根成反比，所 以提高开关器件的开关频率可以使开关电源获得多方面的好处，比如可大大提高 电源的功率密度，降低损耗，提高系统的动态响应能力，减小整机体积等，其具 体体现在以下几个方面：( 1 ) 稳压性能好，空载及负载时输出电压有效值要稳定； ( 2 ) 波形质量高，不但要求空载时的波形好，满载波形也要好，对非线性负载的 适应性要强；( 3 ) 突加或突减负载时输出电压的瞬态响应特性好：( 4 ) 输出电压的 江苏大学硕士学位论文 频率稳定性好；( 5 ) 对于共相电源，带不平衡负载时相电压失衡小。因此，高频 化高性能化是直流电源的主要发展方向。 二、数字化 数字化电源由于控制策略调整灵活、控制精度高以及控制参数稳定性高，所 以具有更好的稳定性及节能特征。采用数字化技术，可以通过系统软件实现软开 关技术并降低电磁干扰，提高电源的稳定性和智能化程度；同时，数字化电源方 便的通信接口功能为现代化的网络化控制提供了良好的硬件基础。 三、智能化 由于单晶硅生产的工艺过程及单晶硅炉所用的高频直流电源的能量转换过 程均为非线性时变系统，难以建立准确的模型进行传统的控制。因此不依赖受控 对象的数学模型的智能控制将成为发展方向。这些智能控制的应用将有效提高单 晶硅炉加热电源的性能及单晶硅的生产工艺质量。 四、模块化 模块化有两方面的含义，一是指功率器件的模块化，二是指电源单元的模块 化。目前因为大容量的i g b t 等功率器件成本比较高，且单晶炉电源输出功率比 较大，使其在单晶炉电源中的应用受到一定限制。为了解决这一问题，一方面可 以通过运用先进的功率电子器件和整流技术解决输出功率的局限性，另一方面可 以将多个功率单元的并联运行，采用多单元积木式并联技术进一步提高电源的输 出能力。模块化的并联高频单晶炉电源不但有效地提高了电源整机的输出能力， 而且还提高了系统的冗余备份能力。模块化是今后大功率直流电源发展的一个方 向。 随着电源系统的集成化、模块化、智能化的发展，电力电子器件的高性能化， 拓扑电路理论的创新，以及现代控制技术的广泛应用，单晶炉直流电源的设计得 到进一步完善。今后单晶炉电源必将朝着高效率、高功率因数和高可靠性方向发 展，并不断实现低谐波污染、小型化、轻量化。 1 3p w m 整流技术发展概况 到2 0 世纪8 0 年代，自关断器件的发展已经发展到比较成熟的阶段，并得到 了广泛应用，因此推动了p w m 技术在整流器领域的应用1 2 。1 9 8 2 年，b u s s e 4 江苏大学硕士学位论文 a l f r e d 、h o l t zj o a c h i m 首先提出了基于可关断器件的三相全桥p w m 整流器拓扑 及其网侧电流幅相控制策略，并实现了电流型整流器网侧单位功率因数正弦波电 流控制。1 9 8 4 年a k a g i 、h i r o f u m i 等提出了基于整流器拓扑的无功补偿器控制 策略硎。到2 0 世纪年8 0 代末，随着a w g r e e n 等人提出了基于坐标变换的p w m 整流器连续、离散动态数学模型及控制策略1 6 1 i ，p w m 整流器的研究发展到了一 个新的高度 2 1 2 7 1 。 自2 0 世纪9 0 年代以来，对p w m 整流器的研究主要集中在：( 1 ) 简化p w m 整流 器的数学模型，并根据数学模型进行工况分析；( 2 ) 主电路拓扑结构的研究；( 3 ) 改进电压型p w m 整流器的控制技术，提高功率因数，降低谐波污染，提高电流 响应速度及电压利用率等。 ( 1 ) p w m 整流器数学模型的研究 p w m 整流器数学模型是p w m 整流器及其控制技术研究的基础。自 a w g r e e n 等人提出了基于坐标变换的p w m 整流器连续、离散动态数学模型以 来，各国学者对p w m 整流器的数学模型进行了深入仔细的研究。 r w u s b d e w a n 等人较为系统地建立了p w m 整流器的时域模型；c h u nt r i m 和d o n gy h u 等人利用局部电路的d q 坐标变换建立了p w m 整流器基于变压器 的低频等效模型电路，并给出了稳态、动态特性分析。在此基础上h e n g c h u nm a o 等人建立了一种新颖的降阶小信号模型，从而简化了p w m 整流器的数学模型及 特性分析。 ( 2 ) 主电路拓扑结构的研究 就p w m 整流器拓扑结构而言，可分为电流型和电压型两大类。在小功率应 用场合，p w m 整流器拓扑结构的研究主要集中在减少功率开关和改进直流输出 性能上。对于大功率p w m 整流器，拓扑结构的研究主要集中在多电平拓扑结构、 变流器组合以及软开关技术上。多电平拓扑结构的p w m 整流器主要应用于高压 大容量场合。而对大电流应用场合，常采用变流器组合拓扑结构。此外，在大功 率p w m 整流器设计上，还研究了基于软开关( z v s z c s ，z v t z c t ) 控制的拓扑 结构和相应的控制策略，然而这一技术还有待进一步完善和改进。 ( 3 ) p w m 整流控制技术的改进 在电压型p w m 整流器研究的过程中，为了使电压型p w m 整流器网侧呈现受 5 江苏大学硕士学位论文 控电流源特性，网侧电流控制方式的研究显得十分重要。p w m 整流器常用的控 制方式主要有矢量控制、p w m 脉宽控制等。p w m 脉宽调制控制是6 0 年代提出的。 p w m 脉宽调制技术解决了当时逆变电路开关器件的通断的问题，为近代电力电 子变换器开辟了新的发展领域。 矢量控制理论是2 0 世纪7 0 年代初由德国e b l a s s c h k e 等人提出。它是根据磁场 等效基本原理，三相静止坐标、两相静止坐标和两相旋转坐标系之间可以进行相 互转换，把对交流量的控制转变成对直流量的控制，使控制要求变得简单、系统 也能得到较好的动静态性能。矢量控制电压定向控制的做法是：将整流器在三相 坐标系下的交流电压和电流圪、圪、圪及f a 、f 6 、良通过三相一二相变换，等效成 两相静止坐标系下的、及f n 、f b ，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成 同步旋转坐标系下的直流量虼、及f d 、进行控制，通过调节器的变换后对整 流器中的开关器件进行控制。 2 0 世纪8 0 年代，全控型器件迅猛发展，用于控制全控型器件的控制技术也得 到了更深入的研究。此时出现了正弦波脉宽( s p w m ) 控制、三角载波比较法、滞 环比较法、空间电压矢量( s v p w m ) 法等【1 5 j 。上述几种控制方式也属于p w m 脉宽 调制控制法，是p w m 脉宽调制的发展与延伸。 正弦波脉宽调制也叫s p w m ，其特点是输出脉宽列是不等宽的，宽度按正弦 规律变化，输出波形接近正弦波。s p w m 的调制方式有两种：同步调制和异步调 制。在一个调制信号周期内所包含的三角载波的个数称为载波频率比。在变频过 程中，即调制信号周期变化过程中，载波个数不变的调制称为同步调制，载波个 数相应变化的调制称为异步调制。s p w m 控制具有电压调整率高、输出纹波小等 优点，但是s p w m 控制存在输入电压调制能力差，轻负载时效率低等缺点【2 7 , 3 0 。 三角载波比较控制是根据三角载波与正弦调制波的交点来确定功率开关器件的 开关时刻，可以分别从硬件和软件两方面实现。三角载波比较法产生的误差大， 谐波污染大，难以应用于实时控制中。滞环比较法是一种瞬时值反馈控制模式， 主要应用于电流跟踪控制，基本思想是比较电流给定信号与检测到的整流器实际 输入电流信号，当实际电流大于给定值时，则通过改变整流器的开关状态使之减 少，反之亦然。滞环比较有较好的跟踪效果，控制参数简单，但是功率器件的开 关频率变化给输出滤波器的设计带来了困难。滞环带宽度越窄，跟踪效果越好， 6 江苏大学硕士学位论文 但是开关频率越高，功率模块及开关损耗越大。滞环比较法更适合于小容量、高 开关频率的应用场合。 2 0 世纪8 0 年代初，日本学者针对交流电动机变频驱动提出了空间矢量p w m 控制策略。空间电压矢量( s v p w m ) 法也叫磁通正弦p w m 法i 6 l ，主要思路在于抛 弃了原有的正弦波脉宽调制( s p w m ) ，采用逆变器不同的开关模式产生的实际磁 通取逼近基准磁通圆磁通，由它们的比较结果决定变换器的开关，形成p w m 波。 虽然s v p w m 控制技术具有功率因数高、谐波含量低等优点，但是控制过程比较 复杂。 近年来，国内外许多学者一直在寻求一种更为有效、通用且简单的控制方法， 使基于脉冲调制的非线性系统更稳定，动态响应能力更强，并且可以有效抑制输 入扰动。基于以上考虑，美国学者k e y u em s m e d l e y 幂l s l o b o d a nc u k 在2 0 世纪9 0 年代提出了单周控制这一新型大信号、非线性控制方法【1 7 1 。单周控制法通过控制 开关占空比，在每个周期内使整流器开关变量的平均值与控制参考电压相等或成 一定比例，以消除稳态和瞬态误差的非线性控制方式【1 8 l 。 单周控制法克服了传统的p w m 控制方法的不足，适用于各种脉宽调制开 关变换器，此外它还可用于控制任何物理开关变量或可转化为开关变量形式的抽 象信掣”l 。将p w m 单周控制技术引入单晶炉加热电源的p w m 整流器中，对单晶 炉电源的性能的改进具有重要的研究意义。 1 4 本文主要内容 由于光伏产业和电子信息产业对人工晶体质量的要求越来越高，单晶炉直流 电源的改进成为必然。人们试图通过改进电源整流部分的电路拓扑和控制策略， 提高功率因数和输出波形质量。因此，对p w m 整流技术及控制方法的研究具有 重要的理论价值和实用意义。 第一章为绪论，通过阅读大量国内外资料，介绍单晶炉电源的国内外现状、 发展趋势及课题的研究目的和意义，并概括本文的主要研究工作内容。 第二章详细分析三相p w m 整流器的工作原理、拓扑结构，对处于不同区间 的三相p w m 整流工作过程进行了详细分析，并根据拓扑结构推导出三相电压型 数学模型及控制方程。 7 江苏大学硕士学位论文 第三章根据单晶炉电源的工作特性及要求，设计单晶炉电源主电路结构，对 各部分电路进行详细分析。根据电源的技术指标，设计主电路参数，选取功率器 件，并对单晶炉电源的外围控制电路进行设计。 第四章主要讨论电压型p w m 整流控制技术，重点对s v p w m 控制及p w m 单周控制进行详细分析。对p w m 整流器双闭环控制器进行了设计，并根据控制 器设计原理及p w m 单周控制原理，提出了基于p w m 单周控制的双环控制，并 对p w m 单周双环控制系统进行设计。 第五章通过m a t l a b s i m u l i n k 仿真工具，搭建单晶炉电源系统模型，比较 分析基于p w m 单周控制和基于s v p w m 与的单晶炉电源的仿真实验波形，验证 了p w m 单周双环控制系统设计的合理性及正确性。 第六章为结论与展望部分，对本文所做的工作进行总结，并对下一阶段工作 进行展望。 8 江苏大学硕士学位论文 第二章三相电压型p w m 整流器工作原理 2 1p w m 整流器拓扑结构 就p w m 整流器而言，按照直流储能形式可分为电流型和电压型两类，按照 电网相数可分为单相电路、三相电路、多相电路，按照桥路结构可以分为半桥电 路和全桥电路。尽管分类方法多种多样，p w m 整流器最基本的分类就是电压型 和电流型整流器，而且这两种类型的整流器无论在主电路结构、p w m 信号发生 上，还是控制策略上都有各自的特点，并且两者之间存在电路上的对偶性。下面 将具体分析电压型、电流型整流器的拓扑结构。 1 、电流型p w m 整流器拓扑结构 电流型p w m 整流器拓扑结构最显著的特点是直流侧采用电感进行直流储 能，从而使电流型整流器直流侧呈现高阻抗的电流源特性。对于电流型p w m 整 流器而言，常见的拓扑结构有以下两种【2 0 川： 图2 1 为单相电流型拓扑结构。 图2 1 单相电流型拓扑 与单相电压型整流器相比，除直流储能电感外，一方面交流侧增加了滤波电 容，与网侧电感一起组成l c 滤波器，用于消除网侧谐波电流，抑制电流型整流 器交流侧谐波电压，另一方面电流型整流器在功率开关管支路上顺向串联二极 管，用于阻断反向电流，提高功率开关管的耐反压能力。 9 江苏大学硕士学位论文 图2 2 三相电流型p w m 整流器拓扑 三相电流型p w m 整流器的拓扑结构如图2 2 所示，它是一种三线六开关整流 器。交流侧三、c 组成二阶低通滤波器，用于滤除交流侧电流中的开关谐波。直 流侧串联有大电感，使直流侧电流近似为直流。i g b t 开关管和二极管串联组成 了功率开关管器件，器件的反向阻断能力得到了很大提高。 2 、电压型p w m 整流器拓扑结构 电压型p w m 整流器( v s r ) 拓扑结构最显著的特点是直流侧采用电容进行直 江苏大学硕士学位论文 臂由两个电容并联组成，并联电容的作为用于直流储能。由图2 3 ( b ) 可以看出， 单相全桥采用了4 个功率开关管，比较两者可以看出，单相半桥的结构非常简单， 实际应用的成本比较低，常用于小功率场合，然而半桥电路直流电压是全桥电路 直流电压的两倍，对功率开关管的要求比较高。 ( 2 ) 三相电压型p w m 整流器拓扑1 2 0 ，2 2 l 图2 4 给出的是三相v s r 拓扑结构，图2 4 ( a ) 为三相半桥v s r 拓扑结构，图 2 4 ( b ) 为三相全桥v s r 拓扑结构。由图2 4 ( a ) 可以看出，三相半桥交流侧采用了 三相对称的无中线连接方式，并采用6 个功率开关管，这是最常用的三相p w m 整流器，通常所说的三相桥式电路就是指三相半桥电路。 玉土 ( a ) 半桥 ( b ) 全桥 图2 4 三相v s r 拓扑结构 三相半桥电压型整流器比较适用于三相电网平衡系统。当三相电网不平衡 时，三相半桥电压型整流器的控制性能将恶化，甚至使整流器发生故障。为克服 这个不足，出现了三相全桥电压型整流器，如图2 4 ( b ) 。三相全桥电压型整流器 1 1 江苏大学硕士学位论文 实际上是由三个独立的单相全桥电压型整流器组合而成，当电网不平衡时，不会 严重影响p w m 整流器控制性能，但是，由于三相全桥电路所需的功率开关管是 三相半桥电路的两倍，因而三相全桥电路一般很少采用。 电流型p w m 整流器( c s r ) 存在直流储能电感和交流l c 滤波环节，与电压型 p w m 整流器( v s r ) 相比，结构及控制较复杂，并且系统损耗大，因此，研究和 应用较少1 2 3 , 2 4 1 。单相v s r 虽结构简单，但是只适用于小功率场所，对于中型， 甚至是大型功率场所，单相结构控制起来更加复杂。综合以上考虑，本文选用三 相电压型半桥拓扑。 2 2 三相电压型p w m 整流器工作原理 经过上述比较分析，本文选用三相电压型半桥拓扑，如图2 4 ( a ) 所示。 为了简化分析，本文采用图2 5 所示的p w m 整流器的模型进行分析，并假 设：整流器谐波分量为零，只考虑基波分量；忽略交流侧电阻，电网电动势矢量 e 幅值与相位不变。 由图中可以看出，电路由交流回路、功率开关管桥路及直流回路组成1 2 1 1 。其 中交流回路包括交流电动势e 以及网侧电感三等，直流回路包括负载电阻毗及 负载电动势e 等。 ! - r f + - jb - j 1 一 r p 图2 5p w m 整流器模型电路 当不计功率开关管桥路损耗时，交、直流侧关系为 t k = 如 ( 2 1 ) 式中v s 、良分别是为p w m 整流器模型电路交流侧电压和电流；。、i a 。分别 为p w m 整流器模型电路直流侧电压和电流。 由式( 2 1 ) 可知，要控制p w m 整理器直流侧，只需对p w m 整流器模型电路 的交流侧进行控制即可，反之亦然。以下着重从模型电路交流侧入手，分析整流 1 2 江苏大学硕- 2 - 学位论文 器运行状态和控制原理。 图2 6 为p w m 整流器交流侧稳态矢量关系图l 。稳态条件下，假设i 棚恒定 不变，由l 圪i - 上i 刀可知，i 圪l 也不变，在这种情况下，p w m 整流器交流侧电压 矢量y 端点运动轨迹构成了一个以l 圪i 为半径的圆。a 、b 、c 、d 四点是p w m 整流器四象限运行的四个特殊工作状态点，具体分析如下1 1 4 t 2 1 1 。 dd 。 b ( a ) 纯电感特性运行 d c ( b ) 正阻特性运行 c c bb ( c ) 纯电感特性运行( d ) 负阻特性运行 图2 6p w m 整流器交流侧稳态矢量关系 图中e 为交流电网电动势矢量；y 为交流侧电压矢量；圪为交流侧电感电压 矢量；j 为交流侧电流矢量。 ( 1 ) 当电压矢量y 端点在圆轨迹a b 上运动时，p w m 整流器运行于整流状态。 当电压矢量y 端点在a 点运行时，电动势矢量e 超前电流矢量j9 0 0 ，此时p w m 整流器网侧呈现纯电感特性，p w m 整流器只从电网吸收感性无功功率，不吸收 有功功率，如图2 6 ( a ) 所示；当电压矢量y 端点运动至圆轨迹b 点时，电动势矢 量e 与电流矢量j 同方向平行，此时p w m 整流器网侧呈现正电阻特性，实现单 位功率因数整流控制，如2 6 ( b ) 所示。 ( 2 ) 当电压矢量v 端点在圆轨迹b c 上运动时，p w m 整流器处于整流状态。 此时p w m 整流器需从电网吸收有功及容性无功功率，电网通过p w m 整流器将 电能传输至直流负载。当电压矢量y 端点运动至圆轨迹c 点时，电动势矢量e 比电流矢量，滞后9 0 0 ，p w m 整流器网侧呈现纯电容特性，如2 6 ( c ) 所示。此时， 1 3 江苏大学硕士学位论文 p w m 整流器将从电网吸收容性无功功率，而不吸收有功功率。 ( 3 ) 当电压矢量v 端点在圆轨迹c d 上运动时，p w m 整流器运行于有源逆变 状态。此时p w m 整流器向电网传输有功及容性无功功率，电能将从p w m 整流 器直流侧向电网传输。当p w m 整流器运行在d 点时，则实现单位功率因数有 源逆变控制。当电压矢量y 端点运动至圆轨迹d 点时，电流矢量，与电动势矢 量e 反方向平行，此时p w m 整流器网侧呈现负阻特性，如2 6 ( d ) 所示。 ( 4 ) 当电压矢量v 端点在圆轨迹d a 上运动时，p w m 整流器运行于有源逆变 状态。在这种情况下，p w m 整流器向电网传输有功及感性无功功率，电能将从 p w m 整流器直流侧传向电网。 综上所述，p w m 整流器具有电能双向传输特性1 1 9 , 2 0 1 。当p w m 整流器运行于 整流工作状态，p w m 整流器从电网吸取电能，网侧电压和电流的相位差绝对值 小于9 0 0 ；当p w m 整流器运行于有源逆变工作状态，其向电网传输电能，网侧 电压和电流的相位差绝对值大于9 0 0 。 本文讨论的p w m 整流器实际上就是一个交流侧和直流侧可控的四象限运行 的变流装置1 1 4 j 。要实现p w m 整流器的四象限运动既可以通过控制p w m 整流器 的交流侧电压，间接控制其网侧电流，还可以通过控制网侧电流的闭环控制，直 接达到控制其网侧电流的目的。 2 3 三相电压型p w m 整流器工作过程分析 图2 4 ( a ) 中给出了三相电压型p w m 整流器的主电流结构e k ( t ) ( k = a ，b ，c ) 为 三相电网电动势的瞬时值，三为交流侧电感，用于滤波和传递能量，r 为交流侧 等效电阻( 等效电感的电阻和开关器件内阻) ，c 为直流电容，用于滤除直流电压 上开关纹波和平衡直流输入和输出能量。瑚。为直流电压，妇。和屯分别为直流侧 输入和输出电流。s ，k 、& 、仇、仇( k _ a ，b ，c ) 分别表示三相全控型开关器件和 相应的反并联续流二极管。凡为直流侧负载，e 为直流侧电动势。在分析过程 中假设网侧滤波电感是线性的，所有元器件均为理想元器件。 在图2 4 ( a ) 中每一相桥臂的两个开关器件工作于互补状态，即上管开通时下 管截止，反之，下管开通时上管截止，这样在不同时刻，参与工作的每相电路就 1 4 江苏大学硕士学位论文 被分成了上管导通和下管导通两种状态，并且任何瞬间总有三