CN110034696A - 一种用于三相三电平vienna整流器的电流采样方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于三相三电平VIENNA整流器的电流采样方法，将三相电流的精密采样电阻R_a、R_b、R_c串联放置于三相桥臂的双向开关S_a、S_b、S_c之后，在一个开关周期内，当双向开关导通时，对应相的电感电流流经采样电阻；当双向开关关断时，采样电阻无电流流过，并在脉冲信号的中点，即对应相双向开关驱动信号的中点进行采样，从而实现三相输入电流的离散化采样和控制。本发明使用精密电阻采样电感电流，易于实现，有利于减小体积重量，提高功率密度，降低成本，且不存在电流采样信号与控制电路不共地的问题，采样调理电路不必使用复杂的差分隔离结构进行转换，简化了电路设计，减小信号干扰。

Description

一种用于三相三电平VIENNA整流器的电流采样方法

技术领域

本发明涉及一种用于三相三电平VIENNA整流器的电流采样方法，属于电能变换装置中的控制技术领域。

背景技术

随着世界经济的不断发展，各行各业对电力能源的需求与日俱增，电力电子装置被广泛应用于各个领域，包括电动汽车领域、电气化铁路、多点/全电飞机等大型电气化交通领域。在中大功率的三相用电场合，电力电子装置通常要将电能进行变换来达到应用要求，AC/DC即整流环节作为电能变换的第一级大量存在于电力电子设备中。因此，三相整流器是包括航空在内的诸多交流电源系统的重要组成部分，研究具有高效率、高功率密度和高可靠性的三相整流器，这是实现交流供电系统安全、稳定运行的重要保障，同时也是推动新能源汽车、充电桩技术以及多电飞机技术等发展的重要基础。

相比于传统的变换器，三相三开关三电平VIENNA整流器减少了功率开关器件个数的同时，其三电平特性降低了功率开关管的耐压值，可以选用数量较少且相对廉价的低电压等级功率器件，大大降低了成本；其次，功率密度即单位体积的功率大小也是一个重要指标，VIENNA整流器控制频率高的特点使电感和变压器的体积减小，很大程度上缩小了体积，提高了功率密度；最后，VIENNA整流器的高功率因数和低谐波电流特性，不会给电网带来大量的谐波污染。因此，关于VIENNA整流器的研究是PFC技术发展的重点方向。

三相VIENNA整流器的控制策略有很多种，其中常用的控制方法包括基于三电平SVPWM控制策略和基于载波调制的PWM控制策略，无论采取何种控制方法，对三相输入电流进行采样是必不可少的环节，而电流采样常用的方法包括：电阻差分隔离采样和霍尔传感器(LEM)采样。其中，使用霍尔传感器(LEM)采样通常用于大功率场合，其体积、重量大，成本高，若VIENNA整流器三相电流的采样都使用霍尔传感器(LEM)，不利于提高功率密度和降低成本。而使用电阻差分隔离采样常规的方式是将采样电阻与需要进行电流采样的电感支路相串联，采样电阻上的小电压信号经过差分隔离芯片等采样调理电路处理，进入DSP进行离散化，便于数字实现，这种方式相比于用霍尔传感器(LEM)采样，减小了体积重量，有利于提高功率密度，降低成本，但是在采样电阻上的功率损耗较大，不利于提高效率；再者在VIENNA整流器中，将采样电阻与电感支路串联进行采样的方式存在信号不共地问题，设计采样调理电路时需要使用差分隔离结构进行转换，不仅增加了结构的复杂性，而且信号容易受到干扰。

因此，本发明使用采样电阻采样电流，将采样电阻串联放置在双向开关之后，使得采样电阻与输出直流侧中点(控制信号地)相连，设计采样调理电路时不必使用差分隔离结构，简化电路设计，减小信号干扰；并且由于流经双向开关支路的电流仅为电感电流上升部分所组成的脉冲电流，采样电阻上的功率损耗相较于常规的电阻差分隔离采样方式近似减小3/4。

发明内容

发明目的：

针对上述现有电流采样方式存在的问题和不足，本发明提出了一种用于三相三电平 VIENNA整流器的电流采样方法，这种方法不仅简化了采样调理电路设计，减小信号干扰；并且大大减小了采样电阻上的功率损耗，提高效率和可靠性，尤其适用于航空航天等对可靠性要求很高的场合；此外还可以节省成本，减小体积和重量。

技术方案：

一种用于三相三电平VIENNA整流器的电流采样方法，三相三电平VIENNA整流器包括三相输入电源u_a、u_b、u_c，三相输入滤波电感L_a、L_b、L_c，各相桥臂正、负向续流二极管D_ap、D_bp、D_cp、D_an、D_bn、D_cn，A、B、C三相桥臂开关管S_a、S_b、S_c，各相的精密采样电阻R_a、R_b、R_c，直流侧上、下母线电容C_f1、C_f2，输出电压U_o，输出负载电阻R_L，所述开关管S_a、S_b、S_c为双向开关，三相输入电源u_a、u_b、u_c的第一端连接，第二端分别与三相输入滤波电感L_a、L_b、L_c的第一端连接，滤波电感L_a、L_b、L_c的第二端分别连接二极管构成的三相桥臂的中点，三相桥臂的中点同时还分别连接三相桥臂开关管S_a、S_b、S_c的第一端，S_a、S_b、S_c的第二端分别连接三相的精密采样电阻R_a、R_b、 R_c的第一端，精密采样电阻R_a、R_b、R_c的第二端接地，续流二极管D_ap、D_bp、D_cp的阴极连接C_f1的正极和负载的一端，C_f1的负极接地，续流二极管D_an、D_bn、D_cn的阳极连接C_f2的负极和负载的另一端，C_f2的正极接地，精密采样电阻连接采样调理电路和控制器，所述电流采样方法包括如下步骤：

当该支路的双向开关开通时，采集采样电阻的电流，流经采样电阻的电流与电感电流相同，且此时电感电流上升；当双向开关断开时，无电流流经采样电阻，该采样电流方法得到的为高频脉冲小信号电压，其幅值与实际电感电流成比例；该电压小信号再经过电流采样调理电路进行信号放大、抬升，通过DSP的AD采样模块进入控制器，利用数字控制在每个脉冲信号的中点进行采样，从而实现三相输入电流的离散化采样，实现 VIENNA电路的数字化控制。

进一步地，所述双向开关管可以为两种结构，第一种结构为两个MOSFET反向串联构成，整流电路为三相六开关三电平VIENNA整流电路，第二种结构包括四个二极管和一个MOSFET，第一二极管的正极连接第二二极管的负极，第三二极管的正极连接第四二极管的负极，第一开关管的负极与第三开关管的负极以及MOSFET的漏极相连，第二开关管的正极与第四开关管的正极以及MOSFET的源极相连，整流电路为三相三开关三电平VIENNA整流电路

进一步地，在交流输入电压u_i正半周(u_i>0，i＝a,b,c)，当双向开关S_i开通时，整流器i相电流由交流源正端流经滤波电感L_i，再经过双向开关S_i到达变换器直流侧输出中点O，最后回到交流源负端，即此时流经双向开关支路的电流等于输入侧的电感电流，此阶段电感电流上升，且为正；

当双向开关S_i关断时，系统i相电流由交流源正端流经滤波电感L_i，快恢复二极管D_ip，通过直流侧上母线电容到达直流侧电容中点O，再经过其他支路回到交流源负端，即此阶段输入电感电流不经过双向开关支路，此阶段电感电流下降，且为正，此阶段双向开关支路电流为0；

当交流输入电压u_i为负，双向开关S_i开通时，系统电流由交流源负端经其他支路到达变换器直流侧输出中点O，再经过双向开关S_i，滤波电感L_i，最后回到交流源正端，即此时流经双向开关支路的电流同样等于输入侧的电感电流，此阶段电感电流上升，且为负；

当交流输入电压u_i为负，双向开关S_i关断时，系统电流由交流源负端经其他支路到达直流侧电容中点O，经过直流侧下母线电容，快恢复二极管D_in和滤波电感L_i，最后回到交流源正端，即此阶段输入电感电流不经过双向开关支路，此阶段电感电流下降，且为负，此阶段双向开关支路电流为0。

流经双向开关支路的电流为电感电流上升部分所组成的脉冲电流，与双向开关串联的采样电阻R_i所采样得到的是与开关支路电流相对应的小电压信号，即采样调理电路的输入电压信号。

有益效果：

(1)本发明使用精密电阻采样电感电流，易于实现，有利于减小体积重量，提高功率密度，降低成本。

(2)本发明应用在三相三开关三电平VIENNA整流器，将采样电阻放在双向开关之后并与之串联，使得采样电阻与输出直流侧中点(控制信号地)相连，不存在电流采样信号与控制电路不共地的问题，设计采样调理电路时不必使用差分隔离结构，直接将精密采样电阻上的小电压信号进行放大、抬升，通过AD采样模块进入DSP之后，设置在每个脉冲信号的中点进行采样，实现三相输入电流的离散化，便于数字控制，且开关频率越高，采样点越密集，三相输入电流的数字化越接近真实电流波形,且简化电路设计，减小信号干扰。

(3)本发明由于流经双向开关支路的电流为每个开关周期内电感电流上升部分所组成的脉冲电流，从而使得采样电阻上的功率损耗近似减少3/4，提高效率。

附图说明

图1是本发明适用的三相三电平VIENNA整流器示意图；

图2是本发明适用的单相VIENNA电路拓扑；

图3(a)是电感电流正向上升的电路模态图，图3(b)是电感电流正向下降的电路模态图，图3(c)是电感电流反向上升的电路模态图，图3(d)是电感电流反向下降的电路模态图；

图4是本发明的电流采样过程所对应的波形示意图；

图5(a)是本发明的VIENNA整流器A相的电感电流i_a仿真波形，图5(b)是本发明的VIENNA整流器A相开关支路电流i_Sa的仿真波形；

图6(a)是本发明的VIENNA整流器A相的电感电流有效值I_a和仿真波形，图6(b)是本发明的VIENNA整流器A相的开关电流有效值I_Sa的仿真波形。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的解释。

图1所示是本发明适用的三相三电平VIENNA整流器示意图，其中u_a、u_b、u_c为三相输入电源，L_a、L_b、L_c为三相输入滤波电感，C_f1、C_f2为直流侧上、下母线电容，U_o为输出电压，R_L为输出负载电阻。S_a、S_b、S_c分别为A、B、C三相桥臂开关管，双向开关的实现由两个MOSFET反向串联而成，如图1右侧所示。D_ap、D_bp、D_cp、D_an、D_bn、 D_cn分别为各相桥臂正、负向续流二极管。R_a、R_b、R_c为各相的精密采样电阻，分别放在A、B、C三相的双向开关之后并与之串联，采样流经双向开关支路的电流。

图2所示为本发明适用的简化单相VIENNA电路拓扑及不同状态下单相VIENNA 电路模态图，取三相VIENNA整流器的其中一相(A相)进行分析，其他两相的工作状态分析过程与其类似。

当交流输入电压u_a为正，双向开关S_a开通时，此工作状态下的电路原理图如图3(a)所示，系统电流由交流源正端流经滤波电感L_a，再经过双向开关S_a到达变换器直流侧输出中点O，最后经其他支路回到交流源负端，即此时流经双向开关支路的电流等于输入侧的电感电流(此阶段电感电流上升，且为正)。

当交流输入电压u_a为正，双向开关S_a关断时，此工作状态下的电路原理图如图3(b)所示，系统电流由交流源正端流经滤波电感L_a，快恢复二极管D_ap，直流侧上母线电容，最后到达直流侧电容中点O，经其他支路回到交流源负端，即此阶段输入电感电流不经过双向开关支路(此阶段电感电流下降，且为正)，此阶段双向开关支路电流为0。

当交流输入电压u_a为负，双向开关S_a开通时，此工作状态下的电路原理图如图3(c)所示，系统电流由交流源负端经其他支路到达变换器直流侧输出中点O，再经过双向开关S_a，滤波电感L_a，最后回到交流源正端，即此时流经双向开关支路的电流同样等于输入侧的电感电流(此阶段电感电流上升，且为负)。

当交流输入电压u_a为负，双向开关S_a关断时，此工作状态下的电路原理图如图3(d)所示，系统电流由交流源负端经其他支路到达直流侧电容中点O，经过直流侧下母线电容，快恢复二极管D_an和滤波电感L_a，最后回到交流源正端，即此阶段输入电感电流不经过双向开关支路(此阶段电感电流下降，且为负)，此阶段双向开关支路电流为0。因此，流经双向开关支路的电流为电感电流上升部分所组成的脉冲电流。

图4所示为本发明的电流采样过程所对应的波形示意图。首先由输入侧的电感电流波形i_L和控制双向开关开通、关断的驱动信号g得到流过双向开关支路的电流波形i_S，经采样电阻采样得到与开关支路电流相对应的小电压信号，由采样调理电路进行放大、抬升之后，进入DSP的AD采样模块，利用数字控制，在每个脉冲电流的中点进行采样，从而实现三相输入电流的离散化，便于数字控制。所有采样点连接得到的数字化信号波形i_L采样等效为输入端的电感电流波形i_L，且开关频率越高，采样点越密集，通过采样点的连接而得到的信号波形也越接近于实际的电感电流波形。

在MATLAB/Simulink软件环境下，本发明搭建了三相三电平VIENNA整流器的仿真模型并对波形进行了分析。采用的仿真参数如下：三相输入相电压为220V，三相输入频率为50Hz，直流母线输出电压为640V，输出功率为900W，开关频率为54kHz。

图5是本发明的VIENNA整流器A相的电感电流i_a和开关电流i_Sa的仿真波形。从图中可以看出，流经双向开关支路的电流是脉冲电流，其包络线近似为电感电流波形。

图6是本发明的VIENNA整流器A相的电感电流有效值I_a和开关支路电流有效值 I_Sa的仿真波形。从图中可以看出，电感电流的有效值为1.534A，开关支路电流的有效值为0.718A，根据功率计算公式P＝I²R得到，每个采样电阻采样开关支路电流所损耗的功率近似为采样电感支路电流所损耗功率的1/4。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种用于三相三电平VIENNA整流器的电流采样方法，三相三电平VIENNA整流器包括三相输入电源u_a、u_b、u_c，三相输入滤波电感L_a、L_b、L_c，各相桥臂正、负向续流二极管D_ap、D_bp、D_cp、D_an、D_bn、D_cn，A、B、C三相桥臂开关管S_a、S_b、S_c，各相的精密采样电阻R_a、R_b、R_c，直流侧上、下母线电容C_f1、C_f2，输出电压U_o，输出负载电阻R_L，所述开关管S_a、S_b、S_c为双向开关，三相输入电源u_a、u_b、u_c的第一端连接，第二端分别与三相输入滤波电感L_a、L_b、L_c的第一端连接，滤波电感L_a、L_b、L_c的第二端分别连接二极管构成的三相桥臂的中点，三相桥臂的中点同时还分别连接三相桥臂开关管S_a、S_b、S_c的第一端，S_a、S_b、S_c的第二端分别连接三相的精密采样电阻R_a、R_b、R_c的第一端，精密采样电阻R_a、R_b、R_c的第二端接地，续流二极管D_ap、D_bp、D_cp的阴极连接C_f1的正极和负载的一端，C_f1的负极接地，续流二极管D_an、D_bn、D_cn的阳极连接C_f2的负极和负载的另一端，C_f2的正极接地，精密采样电阻连接采样调理电路和控制器，其特征在于，所述电流采样方法包括如下步骤：

当该支路的双向开关开通时，采集采样电阻的电流，流经采样电阻的电流与电感电流相同，且此时电感电流上升；当双向开关断开时，无电流流经采样电阻，该采样电流方法得到的为高频脉冲小信号电压，其幅值与实际电感电流成比例；该电压小信号再经过电流采样调理电路进行信号放大、抬升，通过DSP的AD采样模块进入控制器，利用数字控制在每个脉冲信号的中点进行采样，从而实现三相输入电流的离散化采样，实现VIENNA电路的数字化控制。

2.根据权利要求1所述的一种用于三相三电平VIENNA整流器的电流采样方法，其特征在于，所述双向开关管可以为两种结构，第一种结构为两个MOSFET反向串联构成，整流电路为三相六开关三电平VIENNA整流电路，第二种结构包括四个二极管和一个MOSFET，第一二极管的正极连接第二二极管的负极，第三二极管的正极连接第四二极管的负极，第一开关管的负极与第三开关管的负极以及MOSFET的漏极相连，第二开关管的正极与第四开关管的正极以及MOSFET的源极相连，整流电路为三相三开关三电平VIENNA整流电路。

3.根据权利要求1所述的用于三相三电平VIENNA整流器的电流采样方法，其特征在于，在交流输入电压u_i正半周(u_i>0，i＝a,b,c)，当双向开关S_i开通时，整流器i相电流由交流源正端流经滤波电感L_i，再经过双向开关S_i到达变换器直流侧输出中点O，最后回到交流源负端，即此时流经双向开关支路的电流等于输入侧的电感电流，此阶段电感电流上升，且为正；

当双向开关S_i关断时，系统i相电流由交流源正端流经滤波电感L_i，快恢复二极管D_ip，通过直流侧上母线电容到达直流侧电容中点O，再经过其他支路回到交流源负端，即此阶段输入电感电流不经过双向开关支路，此阶段电感电流下降，且为正，此阶段双向开关支路电流为0；

当交流输入电压u_i为负，双向开关S_i开通时，系统电流由交流源负端经其他支路到达变换器直流侧输出中点O，再经过双向开关S_i，滤波电感L_i，最后回到交流源正端，即此时流经双向开关支路的电流同样等于输入侧的电感电流，此阶段电感电流上升，且为负；

当交流输入电压u_i为负，双向开关S_i关断时，系统电流由交流源负端经其他支路到达直流侧电容中点O，经过直流侧下母线电容，快恢复二极管D_in和滤波电感L_i，最后回到交流源正端，即此阶段输入电感电流不经过双向开关支路，此阶段电感电流下降，且为负，此阶段双向开关支路电流为0；

流经双向开关支路的电流为电感电流上升部分所组成的脉冲电流，与双向开关串联的采样电阻R_i所采样得到的是与开关支路电流相对应的小电压信号，即采样调理电路的输入电压信号。