闫一玮，丁冠华，柴煜淞，戴俊彦，程 红

（中国矿业大学（北京），北京 100080）

0 引 言

当今社会能源技术亟待变革。据统计，中国的能源效率比国际先进水平要低很多，但是单位能源产品耗能却比国际先进水平高45%以上，因此节能降损已成为主流问题，也越来越受到重视[1]。

目前，工业上节能降损主要用的是变频技术，其中使用较多的是大功率全控型级联H桥多电平整流器，可完成高压大功率的双向变换。然而，这类整流器也有明显的不足。有必要研究新型能量单向传输的级联式整流器电路拓扑，以达到减少变换器中全控型开关数量的目的。对于只需能量单向传输的系统，可以用无桥整流模块来代替全桥整流模块。无桥模块相对于全桥，开关管数量减少了一半，控制和驱动电路相对简单，开关损耗低，系统效率相对较高[2]。实际工业上要求变频调速系统整流环节网侧电流正弦化，且运行于单位功率因数[3]。

1 系统整体概述

本文研究的级联式无桥整流器是一种AC-DC电力电子变换器，实现把交流电变为直流电的整流功能，应用在电力电子变压器中。

本文以3个单相的无桥整流器级联的拓扑结构为研究对象，包括对其交流侧电流电压的采样并传输到DSP进行控制，实现输入侧功率因数为1，同时也对直流输出侧的电压进行采样并传输给DSP实施控制，实现3个整流模块输出电压的均衡与稳定。图1为系统基于模型的设计具体实现示意图。

2 硬件部分

本文以3个单相无桥整流电路级联的AC-DC电路为研究对象，对其电路拓扑及工作原理进行描述，并通过一定的理论分析得到该电路的电容、电感等元器件的参数值。

图1 级联式无桥整流电路拓扑

2.1 无桥整流电路概述

整流电路是一种典型的电力电子电路，其作用是将交流电变为直流电。随着新能源发电趋势的火速发展，电力电子变换器的应用也更加广泛，越来越多新型高效节能整流器得到推广和应用[4]。

以单个无桥整流器拓扑为例，阐述该电路工作原理。假设交流侧电感足够大，能够使电流连续。以图1的第一个无桥整流器为例，分析该电路的有效工作模态。其中is为交流输入电流，以从电感左侧流至右侧为正；Ucon为无桥整流器交流侧合成电压。

稳态时的Ucon由开关状态决定，首先定义开关函数S为：

定义第n个单相无桥整流模块的开关函数为Si，则可以得出：Uconi=S·Un。则在图1所示的3个无桥整流器模块级联的电路拓扑中，应用KCL、KVL对该电路建模可得该电路的开关函数数学模型：

由模型可得，该电路通过控制开关函数S控制每个模块的Ucon，从而可以按照要求控制输入电流is以及实现对每个模块输出电压Un的均衡控制。

2.2 参数选择

（1）交流侧电感的选择

该整流电路交流侧电感主要作用有如下两点：第一，滤除交流侧电流谐波，实现交流侧电流为正弦波电流，通过一定的控制作用能够实现交流侧电流与交流侧电压同相位；第二，由于交流侧电感的存在，该系统有了一定的阻尼特性，对系统的稳定性控制非常有利。

首先，从满足一定的输出有功功率指标确定电感值的上限[5]：

该式表示在一定的电网电动势Em、直流侧电压Vdc、功率因数角φ条件下，满足交流侧有功功率指标时的交流侧电感上限值。其中p表示该整流器交流侧的有功功率。

其次，从满足交流侧电流畸变率指标来确定电感值的下限：

该式表示在满足网测电流总谐波畸变率THDi≤n%的要求下，得到的电感值的下限值。其中I1为基波电流有效值，Vab（n）为输出电压n次谐波有效值。

（2）直流侧电容的选择

该整流电路直流侧电容主要作用有如下两点：第一，对交流侧传递给直流侧的能量起缓冲作用，从而保证直流输出电压的稳定；第二，减少直流输出侧的谐波电压。

首先，从满足直流侧电压的跟随指标确定电容值上限：

其中，RLe是直流额定负载电阻，tr*为直流侧电压由初始值跃变到额定值的上升时间设定上限值。

其次，从满足直流侧电压的抗扰性能指标确定电容值的下限：

其中，RLe是额定负载电阻，ΔVm*是整流器直流侧电压动态降落最大值，ΔVm*=ΔVmax/Vde，Vde是电容电压初始值。

3 软件设计

本文将控制算法编写为C语言代码，并在CCS（Code Composer Studio）软件里为本系统建立一个软件工程，将编写的基于DSP28335的C语言代码导入该工程并进行编译[6]。

本系统的软件设计主要包括主程序和中断服务子程序两部分。主程序主要完成系统初始化的任务；中断服务子程序在中断子程序中进行AD采样和校正，采样结果包括交流侧电压US，交流侧电流IS，直流侧电压Udc。对这3个采样值处理后进行双闭环控制。系统不停刷新并执行中断子程序，实现电流内环快速跟踪给定，电压外环稳定输出的指标，并且实现交流侧单位功率因数。

4 仿真电路

本文通过建立级联式无桥整流器及其控制器的电路仿真模型并进行仿真测试，给出了系统的理论结果。

4.1 仿真电路图

图2为主电路拓扑图，图3为无桥整流器模块拓扑图。

图2 主电路拓扑图

4.2 仿真分析

交流输入电流经过控制之后实现了电流波形为正弦波，并且与输入侧电压波形同相位，实现了功率因数为1的指标。该电路系统实现了3个级联模块的输出电压均衡分配，分别为期望输出电压的1/3。存在的不足之处是输出直流电压存在一定的波动，需要进一步调整参数来获得更好的电压波形。

5 样机实验验证

为验证理论，同时为了验证该单相级联式无桥整流器控制方法的可行性，搭建了实物硬件电路。

系统样机由DSP核心板、电压电流采集板、整流器主电路板等硬件电路组成，每个模块经过单板测试后，组装为一个系统。

图3 无桥整流器模块拓扑图

实验结果显示，输出侧直流电压基本稳定在100 V，且3个模块输出电压均衡分配，交流侧电流波形为正弦波；通过交流输入侧电压电流波形对比可以看出，交流侧实现输入功率因数为1，实现了本实验所要达到的指标，验证了电压电流双闭环控制的可行性，并且可以看出该控制方法的效果非常不错，各项指标显示都很好。

6 结 论

本文介绍了3个单相无桥模块级联的整流器的软硬件工作原理、仿真实验以及样机实验验证结果。该系统实现了每个整流模块输出均衡稳定的直流电压、交流侧电流正弦化以及单位功率因数运行的控制指标。

本文所设计的整流器系统适用于不需要能量双向流通的风机、泵类系统中，有广泛的实用价值。本系统还有一些需要提升的地方，可以在提高效率方面做进一步的研究，如果实际生产需要，还可以做更多级的整流器级联甚至扩展到三相。