改进的复合有源箝位ZVS三相Boost型PFC变换器空间矢量调制方法

根据前一章的分析，当三相PFC整流器采用空间矢量调制时，在空间矢量合成中，有多种矢量选择和矢量顺序排序方法，包括交替零矢量方式、单一零矢量方式、对称零矢量方式和母线箝位方式等。其中，图8-19所示的对称零矢量方式和图8-20所示的母线箝位方式较为常用。对称零矢量方式具有最小的谐波和最大的开关损耗，母线箝位方式谐波稍大但损耗较小。如果在复合有源箝位ZVS三相Boost型PFC变换器的空间矢量调制中，采用对称零矢量方式，则在一个开关周期内，需要6次换流。如果采用母线箝位方式，保持电流最大相的开关管不动作，则在一个开关周期内有4次换流，其中两次为开关管向对管的反并联二极管换流，是自然的软开关；另两次为二极管向开关管换流，为硬开关，存在着二极管的反向恢复问题。

图8-19 对称零矢量方式空间矢量调制顺序

图8-20 母线箝位方式空间矢量调制顺序

图8-21 复合有源箝位Boost型PFC软开关过程示意图

在单相复合有源箝位Boost型PFC变换器中，主开关管和辅助开关管工作在相同的工作频率下，辅助开关管在主开关管导通之前关断，利用这时辅助谐振电感中的电流给主开关管并联电容放电，为主开关管创造零电压开通的条件，并且在开关管导通后，由辅助谐振电感抑制二极管的反向恢复。电路的原理示意图如图8-21所示。单相电路中的这个过程有两个特点：①主开关管开通的时刻是固定的。②在辅助开关管关断之前，辅助谐振电感的电流已经反向。这两点在单相电路中得到了保证，但在采用空间矢量调制的复合有源箝位三相Boost型PFC变换器中，由于存在着多次的开关管切换（6次或者4次），其中有3次或者2次为硬开关，需要辅助电路为开关管创造零电压开通的条件，如果直接套用在单相电路中的方法，在主开关管需要切换之前关断辅助开关管，为主开关管创造零电压开通条件，则在一个开关周期内，就需要关断辅助开关管3次或者2次，并且辅助开关管关断的时刻不固定。此外，如果在需要辅助管关断的时刻，辅助谐振电感中电流并没有反向，此时辅助开关管的二极管仍在导通，即使给出关断信号，辅助开关管也不能关断，则无法为主开关管创造零电压开通的条件，也无法抑制主开关管反并联二极管的反向恢复。

为了能够应用复合有源箝位的思想，在复合有源箝位三相Boost型PFC变换器的调制中，需要采用改进的空间矢量调制方法。适用于复合有源箝位三相Boost型PFC变换器的改进的空间矢量调制方法必须保证：流过电流绝对值最大的那相桥臂的开关管不动作，则在一个开关周期内，只有四次开关管切换，其中两次是自然的软开关，而另两次的开关管切换是硬开关，需要辅助电路帮助实现软开关。通过改变有效电压矢量与零矢量的排列顺序，并选择合适的零矢量，将电流绝对值较小两相的开关管换流中存在二极管反向恢复的两次换流在时间上对齐，这样辅助电路只需要创造一次母线电压谐振到零的机会，就能够实现两个桥臂开关管的软开关，并且能够抑制两个桥臂开关管导通后，其互补开关管反并联二极管的反向恢复电流。零矢量的选择是由电流绝对值最大相的电感电流方向决定的，如果输入电感电流方向为正，则零矢量为V₇（111），而如果电流方向为负，则零矢量为V₀（000）。

根据上述要求，在一个工频输入周期的360°内，可以分为12个扇区，如图8-22所示，其对应的空间矢量如图8-23所示。首先，根据参考矢量在三相空间的投影，得到图8-24中所示的6个基本扇区（Ⅰ～Ⅵ）。然后再根据对于三相电流绝对值的判断，将每个基本扇区分为2个，形成12个扇区。6个基本扇区与12个扇区以及相电流绝对值最大相的对应关系见表8-3。

图8-22 改进的空间矢量调制中扇区的划分

图8-23 改进的SVM中的空间矢量图

表8-3 参考矢量扇区的对应关系

变换器的工作状态在每隔30°内循环重复。以扇区2（图8-22中阴影部分）为例进行分析，此时，I_a＞0、I_c＜I_b＜0。在这个扇区中，a相电流的绝对值是最大的。在扇区2中，空间矢量的产生顺序为：V₁（100）-V₇（111）-V₂（110）-V₁（100）（下一周期），如图8-24所示。在各个扇区中，有效矢量和零矢量的分配及开关顺序见表8-4。(www.xing528.com)

图8-24 改进的空间矢量调制中矢量的产生顺序

表8-4 改进的SVM中矢量的顺序

变换器工作在工况V₁（100）的等效电路如图8-25所示。v_sa、v_sb、v_sc为三相输入电压。在这个阶段中，实质上是三个开关管V₁、V₆、V₂的反并联二极管在导通。按照改进的SVM，变换器的下一个工作状态是V₇（111），等效电路如图8-26所示。从工况100向工况111变化的过程中，是b、c相桥臂中的开关V₆、V₂的反并联二极管同时向互补开关管V₃和V₅换流的过程。在这个过程中，存在着两相开关管反并联二极管的反向恢复问题。这样改进的SVM方法实现了将存在反向恢复的两次换流在时间上对齐的目的。

图8-25 工况100的等效电路

在工况100向工况111变化之前，与单相复合有源箝位电路相同，辅助开关管V₇关断，利用辅助谐振电感L_r中的能量将开关管V₃、V₄、V₅并联电容中的能量释放，实现开关管V₃和V₅的软开关，在V₃和V₅导通后，辅助谐振电感L_r会抑制V₆、V₂反并联二极管的反向恢复。

按照改进的SVM，变换器的下一工况是110，等效电路如图8-27所示。在图8-26所示的111工况向图8-27所示的110工况换流和从110工况向图8-25所示的100工况换流的过程，都是一个开关管向桥臂上互补开关管的反并联二极管换流，这些换流是自然的软开关，不存在二极管的反向恢复问题。

图8-26 工况111的等效电路

图8-27 工况110的等效电路

根据表8-4，在一个开关周期中，从矢量1向零矢量切换的过程中，两相桥臂同时从二极管向开关管换流。因此，如果在矢量1向零矢量切换的时刻，由辅助电路将直流母线电压谐振到零，就能够实现主开关管的软开关。并且辅助谐振电感能够抑制开关管导通后，互补开关管反并联二极管的反向恢复。后续的从零矢量向矢量2切换和从矢量2向下一周期的矢量1切换的过程中，都是开关管向二极管换流，是自然的软开关，没有二极管的反向恢复问题。

综上所述，改进的SVM方法实现了保持电流最大相桥臂的开关管不动作，并且将存在反向恢复的两次开关管切换在时间上对齐。这样可以使辅助开关管只动作一次，就能够为存在二极管反向恢复问题的两相开关管切换创造零电压开通的条件，并且抑制开关管导通后桥臂互补开关管反并联二极管的反向恢复。在其他的矢量变换过程中都是由开关管向桥臂互补开关管的反并联二极管换流，均为自然零电压开关，这样复合有源箝位ZVS三相Boost型PFC变换器中所有的主开关管都实现了零电压开关。