三相电流型整流器工作原理解析

三相PWM整流器的另外一种拓扑形式是电流型PWM整流器。其交流侧通常由滤波电容和滤波电感组成。滤波电容用以维持瞬态电流通路，滤波电感用以减小交流电流中的开关谐波；直流侧的储能元件为一个大电感，使直流侧具有电流源的特性；开关管通常由全控型器件与二极管串联组成，用以提高桥臂的反向阻断能力，近年来，具有很高反向阻断能力的逆阻型IGBT的出现，可使得开关管无需再串联二极管。三相电流型PWM整流器基本原理电路如图6-1所示。图6-1中，三相输入电源电压和电源侧的交流电流瞬时值分别表示为v_sa、v_sb、v_sc和i_sa、i_sb、i_sc，整流器侧的输入电流为i_a、i_b、i_c，o、o′分别表示三相电源电压和滤波电容的中点；L和R表示滤波电感及其寄生电阻和线路电阻值，C表示滤波电容，i_dc表示直流电流，v_dc表示整流器直流侧的直流电压。

图6-1 三相电流型PWM整流器原理电路

假定S_ap、S_bp、S_cp表示上桥臂中分别连接a、b、c三相开关管的状态，S_an、S_bn、S_cn表示下桥臂中分别连接a、b、c三相开关管的状态，开关管的开关状态定义如下：

对于三相电流型整流器，要实现其交流侧电流的PWM控制，要求三相电流型整流器上桥臂或下桥臂任意时刻有且仅有一个开关管导通。因此上（下）桥臂开关管的开关状态之间满足如下约束关系：

每相桥臂有四种开关状态：上管导通且下管阻断、上管阻断且下管导通、上管导通且下管导通、上管阻断且下管阻断。为方便起见，引入相开关函数来描述每相的开关状态。相开关函数定义为

从式（6-2）可知，相开关函数应满足如下约束关系：

三相电流型整流器的开关管开关状态与相开关函数取值的对应关系见表6-1。六个开关管总共有九种开关状态，零开关状态对应三种开关模式#7、#8、#9。

表6-1 三相电流型整流器的开关状态表

由图6-1和表6-1，可以写出电流型PWM整流器的交流侧电流与直流侧电流的关系为

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交流侧电压与直流侧电压的关系为

由图6-1，根据基尔霍夫电压、电流定律，可列写出三相电流型整流器的交流侧电路方程和直流侧电路方程如下：

在三相三线系统中，三相电流之和为零，所以有

i_sa+i_sb+i_sc=0 （6-10）

在输入电源电压对称的条件下，相电压的三相之和将为0，即

v_sa+v_sb+v_sc=0 （6-11）

由基尔霍夫电流定律，在o′点处的流入、流出电流之和为0，可得到

从式（6-12）可知，若初始交流电容电压为零，则三相电容电压之和将恒为零。将式（6-10）和式（6-11）代入式（6-8）可得v_oo′为零，把式（6-8）重写成

将式（6-5）和式（6-6）分别代入式（6-7）和式（6-9），整理得到

式（6-13）～式（6-15）的状态方程全面描述了三相电流型PWM整流器交流侧、直流侧及负载的瞬态电路特性，是分析和控制电流型PWM整流器的基础。