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直流充电桩Vienna整流器

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直流充电桩Vienna整流器

发布日期:2019-07-04 作者: 点击:


1、Vienna整流电路

Vienna整流器于1994年被奥地利维也纳大学的学者J.W.Kolar提出,作为一种三电平变换器,相较于普通的两电平整流器如三相六开关整流器,其最大的优势在于,功率器件承受的应力降低了一半、功率密度高、输入电流的畸变小;相对于普通的三电平变换器,它具有电路简单、功率器件较少,无桥臂直通的可能从而避免了死区时间的设置,同时降低了开关损耗、控制的复杂性和增大了有限占空比,也就是说可靠性得到了大幅提高。

因此,针对直流充电桩等高压大功率场合,作为单向功率流动的Vienna整流器受到了很大的欢迎。

根据其输入输出的连接方式,我们可以分为三相四线制和三相三线制两类。前者的电源中线和输出电容中点相连,三相电路可以实现独立的控制;后者三相耦合,控制分为解耦和不解耦两种方法,也就是dq坐标系和abc静止坐标系两者分析方法。我们今天主要分析三相三线制。


2、Vienna基本工作原理

Vienna的基本电路拓扑如下:

其包括三个输入升压滤波电感、三相不可控整流桥(6个二极管)、三个双向开关组(每组包括两个反向串联的功率MOSFET)和两个输出电容。

当Vienna整流器处于稳态时,每一相的 桥臂均由一个双向开关来实现电流的双向流动,进而实现PFC功能(之前我们也提到虽然其是单向功率流动,但是其中电流仍是双向的)。我们以B相来进行说明,当Sb开通(我们记为1)时,无论ib正负与否,整流器输入端电压UBM被开关管钳位在0,如下图所示:

                UBM=0,ib<0                       UBM=0,ib<0

当Sb关断(我们记为0)时,电流ib仅能通过二极管Db1和Db2,且ib>0通过上整流管Db1,整流器输入端电压UBM被钳位在UPM;当ib<0通过下整流管Db2,整流器输入端电压被前卫在-UMN,如下图所示:

                 UBM=UPM,ib>0                 UBM=-UMN,ib<0

故,Vienna整流器的输入端电压,我们可以用下式表示:

当输出上下电容能够实现均压,则UPM=UMN=UPN/2。所以上式我们可以转化为

式中,当开关管S1开通时为1,关断时则为0。当i1>0,sign(i)=1;i1<0,sign(i1)=1。

综上所述,输入端的电压方程可以表达为:

对于三相电网平衡系统,可得


3、Vienna的调制方法

Vienna整流器的调制方法,大多借鉴一普通的二极管钳位三电平变换器,常见的如载波脉宽调制CB-PWM,不连续调制DPWM以及空间矢量SVM。

载波调制中有正弦调制波调制SPWM和基于共模分量注入的载波调制。SPWM出现的较早,实现简单,并且输出效果较好,所以用的比较常见。但是其电压利用率不是很高,中点电压波动也比较大;共模分量注入的载波调制常用的时三次谐波,可以一定程度上弥补一下SPWM的缺陷。不连续调制在特定时间内分别将调制波钳位到正、负和零三种电平,从而降低电流的畸变,减少开关动作次数,但是仍然具有中点电压波动、电流谐波含量较大的缺点。

Vienna整流器的矢量分布图如下:

与普通三电平不同的是,其输入电压不仅与开关状态有关,同时还受到电流方向的限制。即在开关管开通时为零电平(o);在开关管关断时,当输入电流为正时,中点电压为正电平(p),当输入电流为负时,中点电压为负电平(n)。

空间矢量表达式:

其中,Va、Vb、Vc表示各相对应的输入电压的电平,根据调制的特点,供可构建的矢量个数为3³=27个。其中,有三个零矢量,六个长度为2UPN/3的大矢量,六个长度为√3UPN/3的中矢量以及十二个长度为UPN/3的小矢量。而nnn和ppp为无效矢量,由于电流没有流通路径而不存在;ooo可以将三相电源构成回路而无输出电容的充放电。



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关键词:直流充电桩

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