全数字单相三电平整流器控制电路设计

1、全数字单相三电平整流器控制电路设计                摘要：三电平整流器由于其独特的优点，受到了越来越多的重视。介绍了三电平桥式整流器的工作原理，并用数字信号处理器对其控制系统进行了实现，说明了全数字控制系统的硬件设计和软件设计的方法。仿真和实验结果验证了理论研究的结果。        关键词：数字信号处理器；三电平；PWM整流器；功率因数校正 

2、   引言    三电平（ThreeLevel，TL）整流器是一种可用于高压大功率的PWM整流器，具有功率因数接近1，且开关电压应力比两电平减小一半的优点。文献1及2提到一种三电平Boost电路，用于对整流桥进行功率因数校正，但由于二极管整流电路的不可逆性，无法实现功率流的双向流动。文献3，4及5提到了几种三电平PWM整流器，尽管实现了三电平，但开关管上电压应力减少一半的优点没有实现。三电平整流器尽管比两电平整流器开关数量多，控制复杂，但?具有两电平整流器所不具备的特点：    1）电

3、平数的增加使之具有更小的直流侧电压脉动和更佳的动态性能，在开关频率很低时，如300500Hz就能满足对电流谐波的要求；    2）电平数的增加也使电源侧电流比两电平中的电流更接近正弦，且随着电平数的增加，正弦性越好，功率因数更高；    3）开关的增加也有利于降低开关管上的电压压应力，提高装置工作的稳定性，适用于对电压要求较高的场合。1 TL整流器工作原理    TL整流器主电路如图1所示，由8个开关管V11V42组成三电平桥式电路。假定u1=u2=ud/2，则每只开关管将承

4、担直流侧电压的一半。    以左半桥臂为例，1态时，当电流is为正值时，电流从A点流经VD11及VD12到输出端；当is为负值时，电流从A点流经V11及V12到输出端，因此，无论is为何值，均有uAG=uCG=ud/2，D1防止了电容C1被V11(VD11)短接。同理，在0态时，有uAG=0；在1态时，有uAG=uDG=ud/2，D2防止了电容C2被V22(VD22)短接。    右半桥臂原理类似，因此A及B端电压波形如图2所示，从而在交流侧电压uAB上产生五个电平：ud，ud/2，0，ud/2，ud。 

5、   每个半桥均有三种工作状态，整个TL桥共有32=9个状态。分别如下：    状态0(1,1)开关管V11，V12，V31，V32开通，变换器交流侧电压uAB等于0，电容通过直流侧负载放电，线路电流is的大小随主电路电压us的变化而增加或减小。    状态1(1,0)开关管V11，V12，V32，V41开通，交流侧输入电压uAB等于ud/2，输入端电感电压等于usu1。电容C1电压被正向(或反向)电流充电(u1<us，或放电us<u1)，C2通过直流侧负载放电。 

6、;   状态2(1,1)开关管V11，V12，V41，V42开通，输入电压uAB=ud，正向(或反向)电流对电容C1及C2充电(或放电)，由于输入电感电压反向，电流is逐渐减小。    状态3(0,1)开关管V12，V21，V31，V32开通，交流侧输入电压uAB等于ud/2，输入电感上电压等于usu1。电容电压被正向(或反向)电流充电(或放电)。    状态4(0,0)开关管V12，V21，V32，V41开通，输入端电压为0，电容通过直流侧负载放电，线路电流is的大小随主电路电压us

7、的变化而增加或减小。    状态5(0,1)开关管V12，V21，V41，V42开通，交流侧电压为ud/2，正向(或反向)电流对电容C2充电(或放电)，电容C1通过负载电流放电。    状态6(1,1)开关管V21，V22，V31，V32开通，uAB=ud，正向(或反向)线电流对两个电容C1及C2充电(或放电)，由于升压电感电压正向，线电流将逐渐增加。    状态7(1,0)开关管V21，V22，V32，V41开通，交流侧电压电平为ud/2，正向(或反向)电流对电容C2充电(

8、或放电)，电容C1通过负载电流放电。    状态8(1,1)开关管V21，V22，V41，V42开通，输入端电压为0，升压电感电压等于us，两个电容C1及C2均通过负载电流放电。电流is根据电压us的变化而增加(或减小)。2 硬件电路设计    从图2可以看出，在输入电压频率恒定的情况下，要在变换器交流侧产生一个三电平电压波形，输入电压一个周期内应定义两个操作范围：区域1和区域2，如图3所示。    在区域1，电压大于ud/2，并且小于ud/2，在电压uAB上产生三个电平：u

9、d/2，0，ud/2。同理，在区域2，电压绝对值大于ud/2，并小于直流侧电压ud，在电压正半周期(或负半周期)上产生两个电平：ud/2和ud(或ud/2和ud)。相应电平的工作区域如表1所列。    表1 相应电平的工作区域                    工作区域        

10、 1         2         1         2             us>0         us<0  

11、       us>0         us<0             高电平         ud/2         0   

12、60;     ud         ud/2             低电平         0         ud/2      &#

13、160;  ud/2         ud     为方便控制，这里定义两个控制变量SA及SB，其中        根据表1可以设计一个开关查询表，如表2所列，将其存储在DSP中，当进行实时控制时，便可根据输入电压、电流信号，从表中查询所需采取的开关策略。    表2 查询表     &#

14、160;              SA         SB         V11         V12         V21 &#

15、160;       V22         V31         V32         V41         V42        

16、 uAB             1         1         1         1         0   

17、0;     0         1         1         0         0         0   

18、0;         1         0         1         1         0        

19、 0         0         1         1         0         ud/2       

20、60;     1         1         1         1         0         0   

21、60;     0         0         1         1         ud           

22、0; 0         1         0         1         1         0       

23、0; 1         1         0         0         ud/2             0   &

24、#160;     0         0         1         1         0         0   &

25、#160;     1         1         0         0             0       

26、60; 1         0         1         1         0         0       

27、60; 0         1         1         ud/2             1         1   

28、      0         0         1         1         1         1   

29、      0         0         ud             1         0       &

30、#160; 0         0         1         1         0         1       &

31、#160; 1         0         ud/2             1         1         0  

32、0;      0         1         1         0         0         1         1         0     整个控制系统以一片DSP为核心，控制框图如图4所示。    锁相环电路产生一个与电源电压同相位的单位正弦波形，