蓝文辉

（中国电器科学研究院股份有限公司 广州 510300）

引言

为解决传统整流器的谐波“污染”问题和低功率因数问题[1]，许多整流拓扑被提出。其中最为常见的有三相三电平整流器，主要包括二极管箝位型三电平整流器[2]、电容箝位型三电平整流器[3]以及三相VIENNA整流器[4-9]等。前两者的拓扑结构复杂，控制困难，设计成本高。三相VIENNA 整流器器件较少，控制简单，没有桥臂直通风险，具有高功率因数、低谐波、高效率以及低开关应力等优良特性，许多学者对其拓扑结构、控制策略和中点电位平衡等都进行了广泛研究[4-9]，但其软开关技术的研究依然很少。文献[10]研究了一种ZCS/ZVS 单相VIENNA 整流器，该拓扑利用反向主开关充当正向主开关的辅助开关，无需额外引入辅助开关，结构简单，能够实现主开关的零电流开通和零电压关断。但是该文献对此拓扑的研究还不够完善。因此，三相VIENNA 整流器的软开关技术还有待深入研究。

为充分发挥三相VIENNA 整流器的优良特性，解决其二极管反向恢复问题和硬开关损耗问题，同时也为了进一步提升其电能传输效率并减小其电磁干扰，本文提出了一种分流式三相VIENNA 软开关整流器，分析了该新型拓扑的基本工作原理、软开关实现条件、器件应力、功率损耗的计算以及电路参数的设计等，并搭建实验平台，根据理论计算和实验数据绘制了损耗曲线和效率曲线，通过与传统三相VIENNA 整流器的对比分析，验证了所研究整流器的有效性和优越性。

1 原理分析

分流式三相VIENNA软开关整流器拓扑如图1所示。图1 中，ea、eb、ec为三相交流电源，La、Lb、Lc为三相滤波电感，RLa、RLb、RLc为三相滤波电感等效内阻，D1～D6为升压二极管，Lra、Lrb、Lrc为三相谐振电感，Cra、Crb、Crc为三相谐振电容，Sa1～Sa4、Sb1～Sb4、Sc1～Sc4为三相开关管，C1和C2为输出滤波电容，RL为负载电阻。

图1 分流式三相VIENNA 软开关整流器拓扑

1.1 模态分析

三相对称情况下，可通过分析其中一相的工作情况来研究三相特性。以A 相正半周期为例，电路可分为6个工作模态，等效电路图如图2 所示，工作波形如图3所示。其中，Vga1为Sa1驱动电压，uSa1为Sa1电压，uSa2为Sa2电压，uD1为D1反向电压，uCra为Cra电压，iSa1为Sa1电流，iSa2为Sa2电流，iD1为D1电流，iD2为D2电流，iLra为Lra电流；ILP为Lra峰值电流，VCP为Cra峰值电压；ia为输入电流，V0为输出电压。

图2 分流式三相VIENNA 软开关电路A 相工作模态

1）模态一[t0～t1]：Sa1和Sa3开通，Lra、Sa1、Cra、Sa3、C1和D1形成谐振回路，Lra被充电，Cra被放电，iLra缓慢上升，iD1缓慢下降，抑制了D1的反向恢复，实现了Sa1和Sa3的零电流开通。在t1时刻，iD1降为0，iLra升为ia。

2）模态二[t1～t2]：D2导通，Lra、Sa1、Cra、Sa3、C2和D2形成新的谐振回路，Lra被充电，Cra被放电，iLra和iD2先上升后下降。在t2时刻，uCra降为（V0/2），iLra降回ia，iD2降回0。

3）模态三[t2～t3]：D2关断，Lra恒流导通，Cra恒流放电。在t3时刻，uCra降为0。

4）模态四[t3～t4]：Sa2和Sa4体二极管导通，ia平均分流到Sa1和Sa2体二极管上。

5）模态五[t4～t5]：Sa1和Sa3关断，分流结束，Lra恒流导通，Cra恒流充电，uCra从0 缓慢上升，实现了Sa1和Sa3的零电压关断。在t5时刻，uCra升到(V0/2)。

6）模态六[t5～t6]：D1导通，Lra、Sa2体二极管、Cra、Sa4体二极管、C1和D1构成谐振回路，Lra被放电，Cra被充电，iLra开始下降，iD1开始上升，uCra继续上升。到t6时刻，iLra降为0，iD1升到ia，uCra升到VCP，Sa2和Sa4体二极管关断。

1.2 软开关实现条件

从图3 可以看出，该电路存在占空比损失，记Don和Doff分别为开通占空比损失和关断占空比损失，Ts为开关周期，则有Don·Ts=t3-t0，Doff·Ts=t6-t4。Don和Doff应 越小越好。

图3 分流式三相VIENNA 软开关电路A 相工作波形

记ωr为谐振角频率，结合模态分析可得：

该电路是通过降低开通电流上升速率和关断电压上升速率实现软开关，因此，软开关条件很容易满足，只需保证开关管的占空比D 满足Don＜D＜(1-Doff)。

1.3 器件应力分析

该电路的器件应力如表1 所示。其中，VCr1为Cra在t1时刻的电压值。

表1 工频正半周期内分流式三相VIENNA 软开关电路各器件应力

2 参数设计

不 同Cra下Don和Doff与Lra的关系曲线如图4 所示，可以看出，Don和Doff受Lra影响很小，而Cra越大，Don和Doff越大，故Cra取值最好小于0.3uF。令Vpk=ia/(ωrCra)，则Vpk可体现电压应力，ILP可体现电流应力。不同Cra下Vpk和ILP与Lra的关系曲线如图5 所示，可以看出，Lra越小，Cra越大，电压应力越小；Lra越大，Cra越小，电流应力越小。因此，电压应力和电流应力应进行适当的取舍。经过权衡，文中最终选取Lra=3uH，Cra=0.1 uF。

图4 不同Cra下Don和Doff与Lra 的关系曲线

图5 不同Cra下，Vpk和ILP与Lra的关系曲线

3 仿真及实验验证

3.1 仿真分析

仿真参数如表2 所示。文中利用simulink 搭建仿真电路，采用空间矢量调制的控制方式。图6 为正半周期下A 相工作波形，可以看出，仿真波形与理论分析基本一致。

表2 分流式三相VIENNA 软开关电路参数

图6 分流式三相VIENNA 软开关电路正半周期下A 相工作波形

3.2 实验验证

文中搭建了分流式三相VIENNA 软开关电路实验平台，其中功率开关管采用MOSFET，型号为STW15NA50，升压二极管采用快恢复二极管，型号为IDW15E65D2，控制芯片采用tms320f28069。

图7 为正半周期下A 相开关管和升压二极管的开关波形。可以看出，开关管的开通电流上升速率和关断电压上升速率都很缓慢，实现了零电流开通和零电压关断；升压二极管关断时，没有反向恢复问题，且实现了零电流关断，开通时，其电流在反向电压降为0 后才开始增大，实现了零电压开通。

图7 A 相开关管和升压二极管开关波形

综上所述，所设计的分流式三相VIENNA 软开关整流器，能够实现功率开关管和升压二极管的软开关，消除升压二极管的反向恢复电流，且通过合理的参数设计不会出现过高的电压应力，实验波形与理论分析及仿真波形相符，验证了所提拓扑的有效性和优越性。

4 结论

论文提出了一种分流式三相VIENNA 软开关电路并开展了进行了相关研究：分析了其工作模态、软开关实现条件、器件应力、开关损耗并进行了参数设计。理论分析、仿真及实验验证表明该拓扑能够实现主开关管全范围内的零电流开通和零电压关断，解决二极管的反向恢复问题，提高整流器的效率，减小电磁干扰，且原理简单，结构简单，控制方便，成本低，效率高，器件应力和电磁干扰在合理参数下都在处于容许范围，因此具有较为突出的优点和实际应用价值。