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谐振复位三相隔离Swiss正激整流器设计

摘要：本文提出了一种新的隔离单脉宽调制整流系统，该系统基于最近提出的SWISS整流拓扑结构，这个结构利用一个正向变换器代替降压变换器以实现隔离。本文讨论了其工作原理和新的调制技术下的功率因数，这种调制技术是通过对输入滤波器在轻载和最大负载所产生的无功补偿实现的。此外，半导体设备的分析方程可用于系统最优化的推导。这个拓扑结构和调制技术均在3.3KW、115Vac-270Vdc的实验中得到了证明。

关键词：降压变换器；隔离整流器；功率因数校正；脉宽调制技术整流器；三相。

前言

有低谐波失真率，高功率因数以及隔离性良好的三相电源通常组成两个级联的变换器。鉴于带隔离的DC-DC变换器被用作第二级，有源前端功率因数校正器作为初级。一般而言，功率因数校正器以经典的双向6开关或者是单向的Vienna型升压脉宽调制整流器实现。第二级通过一个直流连接电容，一般说来，这个电容为一个大的储能电容以为两个级的整流器去耦。这种方法可以区分出设计问题并且可以使两个子系统得到优化，整流器的设计注重其交流稳态性能（功率因数和波形失真率）而动态需求由直流-直流转换器解决。此外，在输入和输出电压范围大以及能量储存要求高的应用中，二阶段拓扑结构得益于其直流连接电容弹性的电压十分具有吸引力。

在这种方法中，所有的电源均被处理过两次，第一次是经过PWM整流器，另一次是经过DC-DC转换器，所以这个系统的效率由这两个转换器的效率共同决定。另一种选择是用一个带有有源滤波器的二极管桥代替PWM整流器。这个有缘滤波器只需要总电源的一小部分。因此，全局效率和功率密度可能会增加。然而，半导体器件的数量仍然很多。

在有功恒定的常规运行中，平衡三相系统不需要能量储藏。在储能不需要用来保持或者缓冲交流电压的时候，电源可以应用在单级结构。

在单级结构，系统需求和规格都按照使系统设计和最优运行的复杂的单个整流器确定，尤其在输入/输出电压范围大的情况下。然而，由于功率只被处理一次，它期望达到更高的效率。此外，由于一个单级结构主要由一个整流器足蒸，它被期望采用更少的半导体器件、电感和电容来增加功率密度和系统的可靠性。因此，在输入/输出电压范围小的运行条件下，单级结构具有高效率，高功率密度，以及高可靠性的特点。

图 1 （a）两阶段整流系统。（b）三相整流器与有源滤波器加隔离DC-DC转换器的拓扑结构，（C）单级隔离式AC-DC转换器。

在[6]中，一个单级隔离降压三相整理器被提出。这个整流器结合一个带有双向开关可以给高频率变压器一次绕组提供正负电压矩阵变换器。这种整流器对于两个提供最大线电压的全桥转换器具有相同的反应。用这种方法，在某种情况下，这种整流器可以工作在零电压开关状态以减少开关损耗。由于6个双向开关的存在，是的调制相对复杂并且不利于系统的可靠性。

[7]和[8]展示了一个独立的单级结构。这种整流器控制起来相对简单，因为它工作在断续导电模式（DMC），只使用一个晶体管并且提供均衡的三相输入电流。此外，由于这个整流器基于全桥结构，它工作在零电压开关状态开关损耗最小。这种方案适宜于高频率和低功率运行。然而，在功率等级上本研究（3.3Kw）认为，断续导通整流器是不合适的，因为它会在半导体器件、电感和变压器中引入高次电流。另外，DCM结构工作在轻载时，不允许无功补偿，因此，是不适用于400-Hz的情况的。

另一方面，基于二极管桥和DC-DC变换器的功率因数校正器是一个整体。[9]所演示的第一种方法中，所应用的DC-DC变换器是一个升压型，如图2（b）所示。其后，buck型整流器称为Swiss整流器，在[10]和[11]中提及，如图2（c）所示。此外，基于这种想法，新的功率因为校正器结构可能会使用其他DC-DC转换器像型，buck-boost型，以及SEPIC型[12]。此外，还可以使用一个单独的DC-DC转换器，以获取一个单独的单级整流器结构[12]。这是本文所研究的概念。

文中，一个称为谐振复位Swiss前向整流器的移相单级隔离三相整流装置被表现啊出来。本文介绍了它的调制和运行原理，以及它在功率等级为3.3kW和开关频率为100kHz下的设计标准。这部分的研究已经在[13]中展示。本文展示了包括了对滤波器产生的无功进行补偿在内的拓展版本。此外，完整分析将在下文中详细展示。

1. Swiss正激整流器

SR是一个新的功率因数校正结构在[10]和[11]中有所说明。这个整流器如图2（c）所示是一种电流源，buck正激整流器。正如本文所展示的那样，当要降低功率因数校正器的晶体管所必须的损耗时，这种结构对于传统6开关buck型整流器是一种好的选择（如图11[11]）。此外，有一种简单的控制情况是当三个输入电流和三个输出电压均由两个高频晶体管控制的时候。因此，SR在三相正激功率因数校正器研究领域有着很好的前景。

图 2 （a）三相基于二极管的组合整流器系统桥和一个直流 - 直流转换器。（b）升压型版和（c）降压型或SR。

SR的主要组成是由两个DC-DC buck整流器和一个有三个双向开关组成的正极三次谐波消除电路。用隔离变换器代替buck变换器，这可能将会提供一个个例在这个功率等级，如在[12]中阐述的那样。因此，一个第二隔离级是不需要的。两个有趣的情况对于这个隔离变换器或者全桥转换器如图3（a）和（b）所示的电路结构分别对应于谐振复位的Swiss前向结构及Swiss全桥结构。通常，在DC-DC应用中，由于能达到零电压开关状态而且晶体管的电压与输出电压相等，全桥结构在几千瓦范围的应用中展示出更好的性能。另一方面，前向装换器有更硬的开关特性和更高的电压。然而，前向转换器只有一个功率晶体管，使得它的系统更加简单而且损耗更小。

图 3 隔离降压型整流器基于二极管桥和一个隔离DC-DC转换器拓扑结构。（a）瑞士前锋整流器谐振复位及（b）瑞士全桥整流器。

最近的基于像SiC这样的新材料的关于半导体设备的研究提供了可以承受高电压范围（1200-1700V）的商用晶闸管和二极管。与相似的Si设备相比，SiC晶闸管和二极管在导通电阻和寄生电容上有更好的特性。这项新技术已经改变了电力电子器件的设计标准因为正向变换器与更高的压力设备可以使用这些SiC开关和避免性能下降。

在这项研究中,提出了正向结构与SiC设备一直使用全桥是因为它包含更少的高频晶体管数目并且调制更容易实现，以便使系统更加简单系统运行更加可靠。

运行原理

Swiss和Swiss-forward整流器的原理基本上是相同的[10],[11]。结构上的唯一区别是替代buck-type直流的隔离正向电源转换器。两个高频变压器和二极管D 和Dminus;在图3（a)中已标出。

二极管桥设置电压Upn为三相输入最高瞬时电压差，而双向开关被用于连接剩下的三相。通过这种方式,我们可以在图4中看到,电压和总是正的并且呈现一个版三角波的状态从0V到1.5。在电阻运行中,电流和in将跟随二极管桥电压和(参见图4(c))。buck正向转换器的有利之处在于连续导电模式下,平均输入电流工作周期成正比。因此,在开环运行的周期T 和Tminus;必须分别与和成正比。这样一个正弦电流相位与电网电压要求一致。

图 4 Swiss和Swiss正向整流器的工作原理。（a）线电压（b）u_p，Y和u_Y准三角波，（c）在整体PF校正下，该二极管电桥的正负节点的理想电流波形

三相电网区间对称

Swiss-forward整流器的详细分析中可以认为电网是理想状态。平衡正弦三相电压定义为

theta;为电网电压的角度。相似的,假设一个平衡的和三相正弦电流可以表示为

phi;是电压和电流之间的相位。电流的角度也可以定义为psi;=theta;minus;phi;。

公式(1)和(2)利用向量算子重写为两个向量

由于一个二维的向量可以表示三相电压或电流，这种转变被广泛用于分析三相系统。

另一方面,由于二极管桥的对称操作,可以将电网周期分为12份每份宽或者6份每份宽，如图5所示。Swiss前向整流器是区间对称的，这意味着对一个区间的分析可以应用的后面的区间。

。

图 5 分区和时间阶段在网格的一个周期表示.

表 1 双向开关的真值表

Swiss正向调制

Swiss-forward整流器的晶体管可分为两组:低频晶体管和高频晶体管。低频晶体管有三个双向开关，和（见图3（a））。三管互补（），他们之间的连接,并不是通过二极管桥连接，以免引入三次谐波。比如，在阶段1和4，开关始终保持开通状态而剩余两个则保持关断状态。表1显示了三个双向开关在整个网格的时期的开关状态。这些晶体管的开关频率是线频率的两倍。

另一方面，T 和T-都是不互补的高频晶体管。因此，便有四个不同的组合可以等效为四个电路（见图6）。在阶段1，，如果和都开通，则输入电流为

为变压器的变比，是直流电感电流开关周期假设为。应用于公式4，在这个开关状态下整流器的输入电流矢量为：

相似的，在其他的组合状态下，输入电流为：

这四个向量表示在复平面上如图7，可以注意到，当在阶段1（），电流向量可以由四个位于1,2,3阶段或者是1，2阶段（）的4个向量线性组成，相当于图7（b）中的灰色区域。这意味着这个整流器可以用一个电阻进行控制，使电流的相位电压的相位一致（）或者在超前或者滞后对电网进行无功补偿。然而,输入差模电磁干扰(EMI)滤波器可以根据负载的要求产生额外的电流和电压之间的相位偏移。一般来说,在整流器的输入系统(EMI滤波器和整流器)一个单位化的功率因数是必须的。因此，在轻载状态下为补偿滤波器的无功功率要求。

二极管桥的端电压的正负端和与之间的关系为：

其中M是调制系数，可以用和表示出。从而，占空比完全有电网相角、补偿电流角和调值系数M决定。

和在一个电网周期内补偿角和的完整波形分别如图8（a）和（b）所示。在时，占空比的范围为到。随着的增加占空比也不断上升。因此，最合适的是，这是因为在这时，占空比从0增加到M。

图 6 对高频晶体管的四种可能的组合的等效电路

图 7 SR输入电流的矢量表示. (a) 区域1和2的电压向量 (b) 区域1,2,3和12的输入电流向量

图 8 和 占空比. (a) 阻性。 (b)阻感性

在传统的buck整流器中，整流器的输出电压是续流二极管的平均电压。在第一阶段，当开通，的电压是。因此，输出电压可以通过对这一阶段的二极管电压进行积分来计算

因此，在阻性条件下，当时，最大输出电压低于固定值M，当，输出电压值更低。这是因为实际情况中，整流器会利用一部分活动状态去解决无功，所以，限制了输出电压。

图 9时间区间1内(0 lt; theta; lt; pi;/6)调制1和2的主要调制信号(a) 调制1的高频晶体管的脉冲信号 (b) 调制2的高频晶体管的脉冲信号c), (d), 和(e) 电流分别通过a,b,c (f) 续流二极管和输出电压 (g)直流电感和输出电流

直流电感中和双向电流负载对载波的影响

对称性使得Swiss前向整流器和两个完全相同的正向转换器工作在相同的开关频率很容易实现。这对于PWM载波的相位没有任何影响。用两个同相的载波（调制1）或者移相（调制2）都是合适的。此外，对于不同的调制类型，双向开关的电流应力和直流电感的纹波电流之间折算关系不同。

图9展示了在时间区间1黑线处于调制1模式以及灰线处于调制2模式下的三相输入电流，续流二极管的电压以及直流电感电流。电流通过b相如图9（d）。在时间区间1中，一个开关周期内，双向开关中的电流方向唯一。调制模式2中，电流方向并不唯一，而且为了保持相同的平均值，这种调制方式为双向开关提供了更高的电流有效值。

图9（f）所示为续流二极管的电压。对于调制1，两个续流二极管的导通同步，使零电压施加到电感器的一侧上。因此，在全电压下电感退磁。另一方面，对于调制2中，续流二极管中的一个始终关闭。因此，它妨碍了全输出电压下电感退磁。这导致一个小的电流斜率，因此，更小的电流脉动如图9（g）所示。

调制1，当占空比等于M，.在电感器的最大电流纹波发生在theta;=pi;/ 6时。电流纹波可以根据续流状态的时间来计算

对于调制2的最大电流纹波发生在theta;=0时。同样，调制2的最大电流纹波是

因此，调制1的电流脉动率超过调制2。这意味着当M= 90％时最大电流纹波减少了55％。

这两种调制的另一个区别在于与导电EMI噪声。调制1呈现较低的差模噪声水平，而解调2具有较低的共模噪声。

变压器退磁

事实上，当晶体管关闭时，正向变换器需要额外的能量使变压器退磁。最常用的技术是附加一个第三变压器绕组[见图10（a）和（b

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