基于高壓直流電源整流與逆變相關技術概述

趙青

摘 要：隨著時代進步，直流高壓電源已廣泛應用于眾多行業(yè)，并且高壓直流電源技術也逐步提高，從工頻到高頻，從模擬控制電路到數(shù)字控制電路，從晶閘管相控拓撲到PWM三電平拓撲及高壓開關電源拓撲，因此，其性能也在不斷提高。高壓直流電源越來越多地被應用，而高壓電源技術也在不斷更新，但高壓開關電源采用高頻逆變技術，實現(xiàn)了電源的小型化，但高壓高頻變壓器的設計難題亟待解決。

關鍵詞：高壓直流源；逆變；整流

中圖分類號：TM46 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）31-0134-02

Abstract： With the progress of the times， high voltage DC power supply has been widely used in many industries， and the technology of high voltage DC power supply has been gradually improved， from power frequency to high frequency， from analog control circuit to digital control circuit， and from thyristor phase-controlled topology to PWM three-level topology and high-voltage switching power supply topology， its performance is also improving. High voltage direct current （HVDC） power supply is more and more used， and the technology of high voltage power supply is being updated constantly. High voltage switching power supply adopts high frequency inverter technology to realize the miniaturization of power supply， though the design problem of high voltage high frequency transformer needs to be solved urgently.

Keywords： high voltage DC source； inverter； rectifier

引言

最早，高壓直流電源通常采用工頻升壓，通過二極管或晶閘管整流而得。它們因電路簡單、技術成熟等優(yōu)點得到應用，但由于其輸出電壓難以實現(xiàn)快速調節(jié)。適用于高壓場合的三電平PWM整流電路因為能夠實現(xiàn)單位化功率因數(shù)、能量雙向的流動而得到大力研究。然而開關器件的耐壓水平和復雜的控制策略限制了該電路的應用。高壓直流電源是采用電力變換技術將配電網(wǎng)提供的交流電變換為實際所需直流的儀器設備。幾十年前，最初的高壓直流電源僅僅應用于實驗研究，歷經(jīng)半個多世紀的發(fā)展后，高壓直流電源已廣泛應用于各行各業(yè)，如電氣設備耐壓試驗、醫(yī)療設備、冶金、直流饋電等。以往，高壓直流電源通常采用工頻升壓方式，它們因電路簡單、技術成熟等優(yōu)點等到應用。但由于其均工作在工頻狀態(tài)，用來升壓和隔離的、體積大而笨重的工頻變壓器必不可少，同時其網(wǎng)側功率因數(shù)低、電流畸變、輸出電壓調整時間長，難于實現(xiàn)快速調節(jié)，而且輸出紋波、電源精度以及穩(wěn)定性也很難滿足現(xiàn)實要求。

1 高壓直流電源現(xiàn)狀

在電力電子電路中，最早出現(xiàn)的就是整流電路，目的是將交流電能變換為供給直流用電設備的直流電能。高壓直流電源的應用領域非常廣泛，現(xiàn)在對高壓直流主電路原理分析，傳統(tǒng)的相控整流電源具有較大的諧波電流，且功率因數(shù)低，多電平電壓型PWM整流電源開關數(shù)量多、控制復雜、應用技術不成熟，而高壓開關電源的高頻升壓變壓器設計等難題尚待解決，因此本文創(chuàng)造性地將PWM交流變換電路和12脈波整流電路有機的結合。

2 高壓直流電源變換原理

三相電經(jīng)Buck型PWM交流斬波變換后，通過小容量LC濾波器濾除高頻諧波，然后輸出交流到整流變壓器T的原邊。T是連接形式為Δ/Δ/Y的升壓變壓器，設置合適的變比使得變壓器T兩閥側繞組得到大小相等、相位相差30°的高壓交流，分別作為兩個三相整流橋的網(wǎng)側輸入，這兩個整流橋的輸出串聯(lián)，最后濾波輸出高壓直流。因其技術相對成熟，有比較高的可靠性，同時有穩(wěn)定的運行環(huán)境，只需要用戶調節(jié)交流PWM變換器的導通占空比，就可以實現(xiàn)變壓器原邊副邊電壓的穩(wěn)定輸出，從而達到控制直流輸出的目的，目前該系統(tǒng)主要包括AC/AC變換器和12脈

波整流器。

3 PWM交流斬波電路原理

直接AC/AC變換電路，根據(jù)所采取控制方式的不同，可分為相控式和斬控式。相控式晶閘管變換電路控制電路簡單、功率容量大，但同時存在著不少明顯的缺陷，比如動態(tài)響應速度較慢、輸出電壓的低次諧波含量大、功率因數(shù)低、電源整體效率不高。與相控電路相比，斬控式交流變換電路則具有更加優(yōu)良的性能：（1）由于功率因數(shù)僅由負載決定，因此功率因數(shù)高；（2）輸出輸人僅含與開關頻率相關的高次諧波，故容易濾除，輸出波形更加接近正弦波；（3）輸出電壓隨占空比線性調節(jié)，變化范圍更大；（4）動態(tài)響應速度快；（5）工作更高效。因此，自上世界80年代，PWM交流斬波電路被提出，該直接交流變換電路就得到了廣泛研究。Buck型電路首先被提出，接著其它各類斬控式拓撲被提出。由于三相交流變換電路原理與單相電路原理有相似之處，因此本節(jié)首先討論Buck型單相PWM交流斬波電路，再討論三相Buck型變換電路的分析。

4 單相交流變換電路工作原理分析

如圖1給出了單相Buck型交流變換電路。該電路由四個全控型電力電子開關器件（一般為IGBT或功率MOSTET），電感L以及輸入電容C1、輸出電容C2組成。開關Q1、Q2分別在正負半周斬波控制，為輸出傳遞能量，Q3、Q4分別與斬波控制管互補導通，為續(xù)流模態(tài)時提供通道。各開關的PWM控制信號如圖1所示，TS為開關周期，td為互補管Q1和Q3、Q2和Q4的死區(qū)時間，D為全控開關Q1、Q2的占空比。

一個開關周期內，電路存在三種不同的運行狀態(tài)：功率傳輸模態(tài)、死區(qū)模態(tài)以及續(xù)流模態(tài)。輸入交流電壓的極性決定了開關的導通關斷方式。當輸入電壓處在正半周時，功率開關Q2、Q4保持常開，Q1與Q3高頻互補導通；反之，當輸入電壓處于負半周時，Q1、Q3保持常開，Q2、Q4高頻互補導通。電路中，電感電流iL流過輸入和輸出側，完成能量的交換。圖1給出了在輸入電壓為正情況下，一個開關周期內三種不同模態(tài)的電流通道。

（1）功率傳輸模態(tài)：在這個模式下，Q1、Q2開通，Q3、Q4關斷。電感電流為正時，電源經(jīng)Q1和Q2管的旁路二極管為負載供電；電感電流為負時，電流經(jīng)Q2管和Q1管的旁路二極管連接輸入與輸出。因此輸入電源為負載提供能量。（2）續(xù)流模式：該模式下，Q1關斷，Q3導通，因此電感電流不論為正或負，都能經(jīng)Q3、Q4及其旁路二極管形成回路，此時電流僅流過輸出側。（3）死區(qū)模式：為了避免非理想開關的電流尖峰和感性負載引起的電壓尖峰，必須設置死區(qū)，且保證電流通道。該模式內，Q1和Q3都關斷，Q2和Q4的導通保證了死區(qū)時的電流通道。電感電流為正時，Q3管的旁路二極管和Q4管為其提供了流通回路；電流為負時，電流流過Q1管的旁路二極管、電源和Q2構成回路。這樣，總是存在一個電感電流的續(xù)流通道，保證了電路的可靠運行。

5 PID控制原理

PID控制器從問世至今已有70年的歷史，作為一種線性調節(jié)器而應用十分廣泛。它通過將參考與實際輸出值相減形成的誤差信號的比例、積分和微分線性組合，構成控制量，從而控制被控對象，所以稱為PID控制器。PID控制器三個校正環(huán)節(jié)的功能各不相同，參數(shù)的改變將從不同方面影響控制器的性能。

（1）比例環(huán)節(jié)即對誤差信號的比例放大或縮小，只要誤差存在，它就能立即發(fā)揮作用，調節(jié)控制器的輸出，使被控量朝著減小偏差的方向變化，而比例系數(shù)的取值決定了誤差減小的速度。（2）積分環(huán)節(jié)始終施加指向給定值的作用力，因此能夠消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù)的大小，時間常數(shù)越大，，積分作用越弱，反之亦然。增大積分時間常數(shù)會減緩消除靜差的過程，但可減少超調，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。（3）微分環(huán)節(jié)能反映偏差信號的變化趨勢，由于誤差調節(jié)過程中系統(tǒng)可能會出現(xiàn)震蕩甚至不穩(wěn)定，因此，微分項能根據(jù)偏差信號的變化趨勢，引入一個修正信號，從而減小超調和震蕩，從而減小調節(jié)時間，加快系統(tǒng)的響應速度，改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。

由于數(shù)字控制不能直接采用連續(xù)的模擬量，只能根據(jù)采樣時刻的實際量來計算偏差值和控制量，而不能直接使用積分和微分環(huán)節(jié)，因此必須進行離散化等效處理。按照經(jīng)典PID控制算法的計算表達式，用一系列的采樣時刻點代表連續(xù)時間，以不斷累加的和式代替積分，以增量代替微分，如此近似變換后則可實現(xiàn)PID控制的離散化，用于數(shù)字控制系統(tǒng)。由于本文中負載變化不經(jīng)常，因此采用了常用的PI電壓閉環(huán)控制。

6 結束語

對現(xiàn)有高壓直流電源拓撲進行研究，包括不可控和相控整流電路、PWM三電平整流和高壓開關電源結構，它們各自的優(yōu)勢和缺點。其中最早出現(xiàn)的不可控或相控整流結構簡單，但輸入和輸出諧波含量大，功率因數(shù)低；而PWM三電平整流電路輸入輸出波形優(yōu)良，可以實現(xiàn)功率因數(shù)校正，是目前研究熱點，但結構復雜，控制繁瑣；高壓開關電源拓撲也是得到廣泛研究，其工作頻率的提高能縮小整個系統(tǒng)體積和重量，但高頻高壓變壓器的設計為該方案提出了新的難題。

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