新能源汽車充電模塊之Vienna整流
一．技術(shù)背景及研究意義
新能源汽車是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，充電樁的建設(shè)已納入到市政建設(shè)中，新建小區(qū)必須預(yù)留充電樁建設(shè)位置，充電樁的前景將會(huì)越來(lái)越好，在最近幾年也將要迎來(lái)爆發(fā)期，我們今天要探究的VIENNA整流技術(shù)，是新能源充電樁模塊上主要拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之一，已經(jīng)很成熟和廣泛的應(yīng)用在7.5KW，12KW，15KW等系列充電模塊上。
上個(gè)世紀(jì)90年代初，VIENNA大學(xué)的J.W.Kolar等提出了一種新型的整流器拓?fù)?，即VIENNA整流器,VIENNA整流器具有以下特點(diǎn)：
1) 類似于Boost型PFC整流器，可以實(shí)現(xiàn)輸入電流正弦跟隨輸入電壓，波形畸變率低，能夠?qū)崿F(xiàn)整流器功率因數(shù)PF->1。
2)功率MOS管、功率二極管等器件上所承受電壓應(yīng)力低，理論上最大電壓Vrm為直流輸出電壓的一半。
3)相較于普通兩電平全橋整理器，在相同的開關(guān)頻率下電感的電流紋波降低，因而減小了電感的體積，提高了整流器的功率密度。
4)功率開關(guān)管與上、下橋臂的二極管串聯(lián)，因此不會(huì)因?yàn)殚_關(guān)管的誤導(dǎo)通造成橋臂的直通從而燒毀器件，因此具有較高的可靠性。
按是否有中性線連接，三相VIENNA整流器可分為三相四線制及三相三線制，在三相四線制VIENNA整流器中，用中性線將輸入側(cè)中性點(diǎn)與電容中點(diǎn)連接,則整流器可解耦為三個(gè)單相BOOST拓?fù)?，由于中性線的引入,在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)給設(shè)計(jì)帶來(lái)困難并且限制了應(yīng)用場(chǎng)合，在充電模塊上實(shí)際應(yīng)用的是三相三線VIENNA整流器。
2.1 VIENNA 整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析
三相 VIENNA 整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 2-1 所示，采用三相三線制的型式，連接電容中點(diǎn) M 和中性點(diǎn) N 就構(gòu)成了三相四線制結(jié)構(gòu)。 其中， Va、 Vb、 Vc為三相對(duì)稱的三相電源， La、 Lb、 Lc 為三相升壓電感， D1、D2、D3、D4、D5、D6為續(xù)流二極管， 功率器件 Sa1、 Sb1、 Sc1、Sa2、 Sb2、 Sc2 連接于整流器輸入端和直流母線電容中點(diǎn)，每個(gè)開關(guān)管有開通和關(guān)斷兩種狀態(tài)。
圖2-1
2.2 VIENNA 整流器工作原理及開關(guān)狀態(tài)分析
VIENNA 整流器的工作原理與開關(guān)管的狀態(tài)及電源側(cè)電流方向有關(guān)，每一相橋臂都可以等效為一個(gè)正向和反向 Boost 電路。三相三線制結(jié)構(gòu)流入 M 點(diǎn)的一相電流通過(guò)另外兩相構(gòu)成回路?，F(xiàn)以一相電流流通路徑為例，另兩相與之相同，以下根據(jù)電網(wǎng)電壓極性，分兩種情況進(jìn)行討論：
電網(wǎng)電壓為正半周時(shí)
在電網(wǎng)電壓為正半周，開關(guān)導(dǎo)通和關(guān)斷的時(shí)候，每一相橋臂上電流的流通路徑分別如圖 2-2 中箭頭所示。
圖2-2
當(dāng)開關(guān)管 Sa1 導(dǎo)通時(shí)，電流通過(guò) Sa1，Sa2 至電容中點(diǎn)M，該過(guò)程中電壓 Va>0，電流不斷地增大對(duì)電感 La 進(jìn)行 儲(chǔ)能，此時(shí) A 點(diǎn)相對(duì)于電容中點(diǎn)M電位為 0。當(dāng)開關(guān) Sa1 關(guān)斷后，電流通過(guò)續(xù)流二極管 D1續(xù)流，電感釋放能量，對(duì)電容 C1 充電， A 點(diǎn)相對(duì)電容中點(diǎn)M電位為 1/2Vdc。這一過(guò)程相當(dāng)于一個(gè) Boost電路的充放電過(guò)程。
電網(wǎng)電壓為負(fù)半周時(shí)
在電網(wǎng)電壓為負(fù)半周，開關(guān)導(dǎo)通和關(guān)斷的時(shí)候，每一個(gè)橋臂上電流的流通路徑如圖 2-3 中箭頭所示：
圖2-3
當(dāng)開關(guān)管 Sa2 導(dǎo)通時(shí)， A 點(diǎn)電位被鉗位至電容中點(diǎn) M， A 點(diǎn)對(duì)中點(diǎn)電位為0。當(dāng)開關(guān) Sa2 關(guān)斷后，電流通過(guò)續(xù)流二極管 D2續(xù)流，A 點(diǎn)對(duì)中點(diǎn)電位為-1/2Vdc。這一過(guò)程相當(dāng)于一個(gè)反向 Boost 電路。
2.3基于三相靜止坐標(biāo)下的數(shù)學(xué)模型
由 VIENNA 整流器的工作原理可知，通過(guò)控制每個(gè)橋臂功率開關(guān)管的通斷并結(jié)合電流方向，每相交流側(cè)都有 1/2Vdc 、 -1/2Vdc、 0 三種電平狀態(tài)。 定義開關(guān)函數(shù)，設(shè) Si ( i= a， b ， c)為第 i 相的開關(guān)函數(shù)， 可表示為
將開關(guān)函數(shù) Si 分解為 Sip、 Sio、 Sin，3 個(gè)單支開關(guān)。根據(jù)開關(guān)管的導(dǎo)通情況和電流的方向有以下關(guān)系式成立：若 Si=1，則 Sip=1， Sio=0， Sin=0； 若 Si=0，則 Sip=0， Sio =1， Sin =0； 若 Si=-1，則 Sip=0， Sio =0， Sin =1。顯而易見開關(guān)滿足如下約束關(guān)系： Sip+Sio+Sin =1；
簡(jiǎn)化之后 VIENNA 整流器的等效電路圖如圖 2-4 所示
圖2-4
根據(jù)三電平整流橋主電路，由 KVL 定律， 可以得到下面的等式
式中，La,Lb,Lc為整流橋交流側(cè)電感， RL為交流側(cè)等效電阻， Va,Vb,Vc分別為電網(wǎng)三相交流電壓，ia,ib,ic 為電網(wǎng)三相交流電流，VaN,VbN,VcN分別為整流橋交流輸入端對(duì)交流電源N 的電壓， 可以表示為：
式（2-3）式中， VaM ， VbM ， VcM分別為整流橋三相橋臂交流輸入端對(duì)輸出中點(diǎn) M 的電壓， VMN 為輸出母線中點(diǎn) M 對(duì)中性點(diǎn) N 的電壓。由開關(guān)函數(shù)的定義和電路圖可得交流側(cè)電壓
三相對(duì)稱時(shí)， 有下列恒等關(guān)系式
由式(2-2)、 (2-3)、 (2-4)、 (2-5)， 可得
對(duì)圖 2-4 中直流側(cè)的 P 點(diǎn)，應(yīng)用 Kirchhoff 電流定律，得到
同理對(duì)圖2-3中的n點(diǎn)，有
對(duì)圖2-3中的M點(diǎn)，有：
即為
由式(2-6)加減式(2-7)得直流側(cè)回路，有 在滿足三相電網(wǎng)電壓對(duì)稱的時(shí)候，得到在 abc 坐標(biāo)系下 VIENNA 整流器的數(shù)學(xué)模型表達(dá)式
， 表示為矩陣
用了這么多公式總算得到三相靜止坐標(biāo)系下 VIENNA 整流器的數(shù)學(xué)模型 ，數(shù)學(xué)模型有什么作用？最終的目的就是指導(dǎo)我們?cè)O(shè)計(jì)閉環(huán)控制環(huán)路補(bǔ)償。有了數(shù)學(xué)模型就可以建立VIENNA 整流器小信號(hào)交流模型，最后得到系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)，根據(jù)開環(huán)傳遞函數(shù)就可以進(jìn)行補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，具體方法可以參考學(xué)習(xí)一下浙大徐德鴻的《電力電子系統(tǒng)建模和控制》一書，本文不做重點(diǎn)推導(dǎo)，后續(xù)文章做相關(guān)描述。
