全數(shù)字單相三電平整流器控制電路設(shè)計

1、全數(shù)字單相三電平整流器控制電路設(shè)計                摘要：三電平整流器由于其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，受到了越來越多的重視。介紹了三電平橋式整流器的工作原理，并用數(shù)字信號處理器對其控制系統(tǒng)進(jìn)行了實現(xiàn)，說明了全數(shù)字控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計的方法。仿真和實驗結(jié)果驗證了理論研究的結(jié)果。        關(guān)鍵詞：數(shù)字信號處理器；三電平；PWM整流器；功率因數(shù)校正 

2、   引言    三電平（ThreeLevel，TL）整流器是一種可用于高壓大功率的PWM整流器，具有功率因數(shù)接近1，且開關(guān)電壓應(yīng)力比兩電平減小一半的優(yōu)點(diǎn)。文獻(xiàn)1及2提到一種三電平Boost電路，用于對整流橋進(jìn)行功率因數(shù)校正，但由于二極管整流電路的不可逆性，無法實現(xiàn)功率流的雙向流動。文獻(xiàn)3，4及5提到了幾種三電平PWM整流器，盡管實現(xiàn)了三電平，但開關(guān)管上電壓應(yīng)力減少一半的優(yōu)點(diǎn)沒有實現(xiàn)。三電平整流器盡管比兩電平整流器開關(guān)數(shù)量多，控制復(fù)雜，但?具有兩電平整流器所不具備的特點(diǎn)：    1）電

3、平數(shù)的增加使之具有更小的直流側(cè)電壓脈動和更佳的動態(tài)性能，在開關(guān)頻率很低時，如300500Hz就能滿足對電流諧波的要求；    2）電平數(shù)的增加也使電源側(cè)電流比兩電平中的電流更接近正弦，且隨著電平數(shù)的增加，正弦性越好，功率因數(shù)更高；    3）開關(guān)的增加也有利于降低開關(guān)管上的電壓壓應(yīng)力，提高裝置工作的穩(wěn)定性，適用于對電壓要求較高的場合。1 TL整流器工作原理    TL整流器主電路如圖1所示，由8個開關(guān)管V11V42組成三電平橋式電路。假定u1=u2=ud/2，則每只開關(guān)管將承

4、擔(dān)直流側(cè)電壓的一半。    以左半橋臂為例，1態(tài)時，當(dāng)電流is為正值時，電流從A點(diǎn)流經(jīng)VD11及VD12到輸出端；當(dāng)is為負(fù)值時，電流從A點(diǎn)流經(jīng)V11及V12到輸出端，因此，無論is為何值，均有uAG=uCG=ud/2，D1防止了電容C1被V11(VD11)短接。同理，在0態(tài)時，有uAG=0；在1態(tài)時，有uAG=uDG=ud/2，D2防止了電容C2被V22(VD22)短接。    右半橋臂原理類似，因此A及B端電壓波形如圖2所示，從而在交流側(cè)電壓uAB上產(chǎn)生五個電平：ud，ud/2，0，ud/2，ud。 

5、   每個半橋均有三種工作狀態(tài)，整個TL橋共有32=9個狀態(tài)。分別如下：    狀態(tài)0(1,1)開關(guān)管V11，V12，V31，V32開通，變換器交流側(cè)電壓uAB等于0，電容通過直流側(cè)負(fù)載放電，線路電流is的大小隨主電路電壓us的變化而增加或減小。    狀態(tài)1(1,0)開關(guān)管V11，V12，V32，V41開通，交流側(cè)輸入電壓uAB等于ud/2，輸入端電感電壓等于usu1。電容C1電壓被正向(或反向)電流充電(u1<us，或放電us<u1)，C2通過直流側(cè)負(fù)載放電。 

6、;   狀態(tài)2(1,1)開關(guān)管V11，V12，V41，V42開通，輸入電壓uAB=ud，正向(或反向)電流對電容C1及C2充電(或放電)，由于輸入電感電壓反向，電流is逐漸減小。    狀態(tài)3(0,1)開關(guān)管V12，V21，V31，V32開通，交流側(cè)輸入電壓uAB等于ud/2，輸入電感上電壓等于usu1。電容電壓被正向(或反向)電流充電(或放電)。    狀態(tài)4(0,0)開關(guān)管V12，V21，V32，V41開通，輸入端電壓為0，電容通過直流側(cè)負(fù)載放電，線路電流is的大小隨主電路電壓us

7、的變化而增加或減小。    狀態(tài)5(0,1)開關(guān)管V12，V21，V41，V42開通，交流側(cè)電壓為ud/2，正向(或反向)電流對電容C2充電(或放電)，電容C1通過負(fù)載電流放電。    狀態(tài)6(1,1)開關(guān)管V21，V22，V31，V32開通，uAB=ud，正向(或反向)線電流對兩個電容C1及C2充電(或放電)，由于升壓電感電壓正向，線電流將逐漸增加。    狀態(tài)7(1,0)開關(guān)管V21，V22，V32，V41開通，交流側(cè)電壓電平為ud/2，正向(或反向)電流對電容C2充電(

8、或放電)，電容C1通過負(fù)載電流放電。    狀態(tài)8(1,1)開關(guān)管V21，V22，V41，V42開通，輸入端電壓為0，升壓電感電壓等于us，兩個電容C1及C2均通過負(fù)載電流放電。電流is根據(jù)電壓us的變化而增加(或減小)。2 硬件電路設(shè)計    從圖2可以看出，在輸入電壓頻率恒定的情況下，要在變換器交流側(cè)產(chǎn)生一個三電平電壓波形，輸入電壓一個周期內(nèi)應(yīng)定義兩個操作范圍：區(qū)域1和區(qū)域2，如圖3所示。    在區(qū)域1，電壓大于ud/2，并且小于ud/2，在電壓uAB上產(chǎn)生三個電平：u

9、d/2，0，ud/2。同理，在區(qū)域2，電壓絕對值大于ud/2，并小于直流側(cè)電壓ud，在電壓正半周期(或負(fù)半周期)上產(chǎn)生兩個電平：ud/2和ud(或ud/2和ud)。相應(yīng)電平的工作區(qū)域如表1所列。    表1 相應(yīng)電平的工作區(qū)域                    工作區(qū)域        

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

11、       us>0         us<0             高電平         ud/2         0   

12、60;     ud         ud/2             低電平         0         ud/2      &#

13、160;  ud/2         ud     為方便控制，這里定義兩個控制變量SA及SB，其中        根據(jù)表1可以設(shè)計一個開關(guān)查詢表，如表2所列，將其存儲在DSP中，當(dāng)進(jìn)行實時控制時，便可根據(jù)輸入電壓、電流信號，從表中查詢所需采取的開關(guān)策略。    表2 查詢表     &#

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     整個控制系統(tǒng)以一片DSP為核心，控制框圖如圖4所示。    鎖相環(huán)電路產(chǎn)生一個與電源電壓同相位的單位正弦波形，