高效稳定的电流型三相桥式PWM整流器

1.电流型三相桥式PWM整流器的结构

电流型三相桥式PWM整流器如图3-91所示。由于IGBT内部漏极（集电极）和源极（发射极）间有反并联的二极管，为了防止电流反向流动，在功率开关管VT_a、VT_b、VT_c、VT_a′、VT_b′、VT_c′的漏极（集电极）串联了整流二极管VD_a、VD_b、VD_c、VD_a′、VD_b′、VD_c′。显然，这种整流器不能实现电流回馈，但通过控制L_d的电流变化可使得直流侧电压u_d按交流形式变化，同样可以实现能量的双向流动。因为整流器直流输出需要很大的平波电抗，装置体积较大，因而电流型PWM整流器一般不用于单相。电流型PWM整流器可看成是一个可控电流源，与电压型PWM整流器相比，它没有桥臂直通而导致的过电流和输出短路的问题，功率管直接对直流电流作脉宽调制，所以其输入电流控制简单。

图3-91 电流型三相桥式PWM整流器

电流型三相桥式整流器的主电路与电压型三相桥式整流器的主电路相比较，有三点不同之处：

1）在交流输入一侧，有LCR二阶滤波环节，它的主要作用是滤掉电网一侧的高频电流谐波。

2）在直流输出一侧，用大电感量的储能电感L_d取代储能电容C。当开关频率较高时，可认为在PWM周期内，输出直流电流I_d不变。

3）在电压型电路中，VT_a、VT_b、VT_c分别与二极管VD_a、VD_b、VD_c并联，VT_a′、VT_b′、VT_c′分别与二极管VD_a′、VD_b′、VD_c′并联。而在电流型电路中，它们是串联连接，其目的是为了提高IGBT的反向阻断能力。

2.电流型三相桥式整流器的基本工作原理

图3-92为电流型三相桥式整流器在单极性SPWM控制方式时的波形。图中给出了相对于电网A相的控制脉冲U_ga和U_ga′的时序及其波形。B相和C相的控制脉冲U_gb、U_gb′和U_gc、U_gc′与U_ga、U_ga′具有相同的特征。

将图3-92中t₁～t₁₂时段的控制脉冲的波形重现在图3-93a中，在t₁时刻之前，只有U_gaDa＞0，除VT_a（VD_a）导通外，其他桥臂中的器件均关断，造成主电路电流的中断，直流输出端的电感产生的反电动势会引起桥臂中的器件被击穿。

在t₁～t₁₂时段，虽然U_gb′和U_gc′为脉冲串，但是在t₂～t₃、t₄～t₅、t₆～t₇、t₈～t₉和t₁₀～t₁₁时区内存在死区1、2、3、4和5，在这些死区内仍存在只有U_ga＞0的情况。为避免此情况的出现，要求采取附加短路脉冲的办法，即在各死区的时段U_ga′产生短路脉冲，使VT_a′导通，整流器主电路电流通过和形成回路。附加短路脉冲后的波形如图3-93b所示。

附加短路脉冲后，主电路电流不会中断，电感中的电流（直流输出电流）为连续电流。虽然交流侧电流i_a在短路脉冲时段会变为零，但是由于死区时间很短，不会对直流侧的电压和电流产生大的影响，因此可以忽略不计。

图3-93给出了A相附加短路脉冲，对于B相和C相来说，短路脉冲是分别附加在U_gb′和U_gc′。

图3-92 电流型三相桥式整流器在单极性SPWM控制方式时的波形

图3-93 附加短路脉冲前后的波形

a）附加短路脉冲前的波形 b）附加短路脉冲后的波形

对于电流型三相桥式整流器的PWM控制通常采用三值逻辑开关函数p_j（j=a，b，c）来描述，即

当p_j=1时，桥路的上桥臂器件导通，下桥臂器件关断；当p_j=0时，桥路的同一桥臂全部导通或全部关断；当p_j=-1时，桥路的下桥臂器件导通，上桥臂器件关断。比如，p_a=1时，VT_a（VD_a）导通，VT_a′（VD_a′）关断；p_a=0时，VT_a（VD_a）和VT_a′（VD_a′）同时导通或关断；p_a=-1时，VT_a′（VD_a′）导通，VT_a（VD_a）关断。p_b和p_c与p_a的含义相同。

在上述电流型三相桥式整流器的单极性SPWM控制过程中，由于要确保整流器主电路中电流不中断，在桥路中只允许上、下桥臂各有一个功率开关管导通，所以电路共有9种工作模式，见表3-6。

在表3-6所示的9种工作模式时的电流流动方向如图3-94所示，图3-94a、d、g中，交流侧电流为零，称为“零模式”。“零模式”是附加短路脉冲的结果，虽然交流侧电流为零，但确保了电路电流不中断。

表3-6 电流型三相桥式整流器在单极性SPWM控制方式时的工作模式

图3-94 9种工作模式时的电流流动方向

a）工作模式Ⅰ b）工作模式Ⅱ

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图3-94 9种工作模式时的电流流动方向（续）

c）工作模式Ⅲ d）工作模式Ⅳ e）工作模式Ⅴ f）工作模式Ⅵ g）工作模式Ⅶ h）工作模式Ⅷ i）工作模式Ⅸ

下面分析整流器各电量的波形。若电网三相平衡，电流型三相整流器的交流侧可以认为由三个单相整流器所组成，三相电路交流侧任一相电量的波形分析与单相电路交流侧相同。而对于三相电路直流侧电量的波形来说，可简单地认为是三个单相电路直流侧电量波形的叠加。需要指出的是，三个单相电路的调制信号的初始相位角互差2π/3。电流型三相桥式整流器在单极性SPWM控制方式时相关电量的波形如图3-95所示。图中交流侧电量的波形为A相电量的波形，B相和C相电量的波形与A相相同。为方便起见，在绘制各电量的波形时，采用了等脉宽。

图3-95 电流型三相桥式整流器在单极性SPWM控制方式时相关电量的波形

（1）交流侧电流i_a的波形

交流侧A相电流i_a可用三值逻辑开关函数来描述，即

i_a=I_dp_a （3-180）

由式（3-180）可知，在直流侧电流I_d恒定的情况下，i_a的波形与p_a的波形相同。在正半周，i_a的数值在I_d和0之间转换，而在负半周，i_a的数值在-I_d和0之间切换。i_a的波形如图3-95c所示。

（2）电网电流i_aL的波形

电流型三相桥式整流器的电网电流i_aL的分析与单相电路相同，其波形如图3-95d所示。

（3）直流侧电压U_d的波形

由于电流型三相半桥式整流器直流侧电压可认为是三个相位互差2π/3的单相电路直流侧电压的叠加，而

式中，U_da、U_db、U_dc为三个单相电路的直流侧电压；u_a、u_b、u_c为三个单相电路的交流侧电压。

所以，U_d可表示为

若忽略u_j和p_j中的谐波分量，则

式中，U_1M为交流侧电压u_a、u_b和u_c的基波分量的幅值；m为调制比；α为交流侧电压的基波分量的初始相位角；φ₀为开关函数的基波分量的初始相位角。

将式（3-183）和式（3-184）代入式（3-182）可得

从式（3-185）可以看出，若忽略交流侧电压u_j和开关函数p_j的谐波分量，且三相运行达到平衡时，直流侧电压pU_d中只含有直流分量。而在单相电路中，其直流侧电压中含有二次谐波分量。一般情况下，U_1M、α、φ₀为恒定值，所以，pU_d与调制比m成正比。

式（3-185）表明，电流型三相整流器的交流侧到直流侧的变换具有Buck变换器的特性。直流侧电压U_d的波形如图3-95e所示。

（4）直流侧电流I_d的波形

从图3-91可以看出，直流侧电流I_d是直流侧电压U_d经L_d和R_d组成的一阶惯性环节得到的，由于U_d中只含有直流分量，所以，相对于单相电路，直流侧电流I_d的波动要小得多。直流侧电流I_d的波形如图3-95f所示。

电流型PWM整流器的应用不如电压型PWM整流器广泛，主要原因有两个：一是要经过LC滤波器与电网连接，LC滤波器和直流侧的平波电抗器L_d的重量和体积都比较大；二是常用的全控型器件多为内部有反并联二极管反向自然导电的开关器件，为防止电流反向必须再串联一个二极管，主电路构成不方便，且通态损耗大。电流型PWM整流器通常只应用在功率非常大的场合，这是因为所用的开关器件IGBT、IEGT、IGCT等本身具有单向导电性，不必再串联二极管，使电流型PWM整流器的可靠性得到提高。

无论是电压型还是电流型桥式PWM整流器，都是能量可双向流动的能量变换器，既可运行在整流状态，又可运行在逆变状态。