胡丹丹，曾 成

（河北工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，天津 300401）

隨著電子電力技術(shù)的發(fā)展，模塊化成為開關(guān)電源發(fā)展總體趨勢。模塊電源構(gòu)成分布式電源系統(tǒng)，可提高電源供電的可靠性，便于電源的維護(hù)。高功率密度、高可靠性是模塊電源的發(fā)展方向，低諧波、小型化是模塊電源的國際趨勢[1]。從當(dāng)前模塊電源的發(fā)展來看，諧波污染是模塊電源需要解決的關(guān)鍵問題，降低模塊電源中產(chǎn)生的諧波，是從根本上解決電源設(shè)備對電網(wǎng)傳導(dǎo)干擾污染。為了提高模塊電源的性能，必須在降低輸入電網(wǎng)諧波的同時要有較高的電磁兼容性。

高頻整流技術(shù)是近十幾年來研究的熱點(diǎn)，它不僅能使電流波形正弦化，而且由于其功率因數(shù)等于或接近于1（在0.99以上），模塊并聯(lián)時不會因相移不同的各模塊電流疊加而導(dǎo)致總的電流諧波超標(biāo)，是一種根本上解決電源設(shè)備對電網(wǎng)傳導(dǎo)干擾污染的技術(shù)方案。本文所討論的是高頻整流技術(shù)在電源模塊中的設(shè)計(jì)方法，使之能有效的降低電源模塊輸入時的諧波污染并能滿足電源的電磁兼容性的要求。

1 電壓型三相高頻整流電路

近年來，SPWM技術(shù)不斷發(fā)展，電壓型三相SPWM整流電路可以作到諧波抑制和功率因數(shù)校正合二為一。本文分析了三相六開關(guān)SPWM整流電路的輸入端電流的諧波，并對其進(jìn)行了仿真研究。SPWM整流電路基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，L1、L2、L3是交流側(cè)輸入濾波電感，C1為直流側(cè)濾波電容。開關(guān)管為全控型開關(guān)IGBT，二極管為內(nèi)部并聯(lián)反饋二極管[2]。

圖1 主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Main circuit topological structure

電壓型三相SPWM整流電路輸入電流的諧波具有明顯的分組特性，第一組諧波在載波頻率附近，其后的每組諧波也是以載波頻率的整數(shù)倍在載波兩側(cè)對稱分布，并且迅速衰減為零。輸入端的諧波電流傅里葉級數(shù)展開式為：

式中：ma為幅度調(diào)制比；ωc為載波角頻率；n為載波的諧波次數(shù)；k為電源諧波次數(shù)。

三相SPWM整流電路可以主動對諧波進(jìn)行抑制，但在后續(xù)的仿真實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)在輸入電感量比較小的條件下，在輸入電流波形中可以看到比較明顯的紋波。

通過對被動型諧波抑制技術(shù)的的分析研究，并綜合考慮了消磁電源柜的性能、體積、成本等各個方面[3]。本文提出了兩種高頻整流電路的改進(jìn)方案，其電路結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，適用范圍較廣。

2 高頻整流電路的改進(jìn)

對圖1所示電路進(jìn)行仿真分析，以電源A相B相輸入回路為例，a點(diǎn)b點(diǎn)之間的波形為SPWM波形，如圖2所示，L1、L2為輸入濾波電感，R1、R2為導(dǎo)線上的輸入等效損耗電阻。由此可見，輸入回路電流的基波大小由SPWM等效電源的基波幅度、相位以及輸入電壓的幅度、相位共同決定；而對于高次諧波來說，由于SPWM波形基本不變，各次諧波電流大小就完全由電感電容所構(gòu)建的濾波電路決定，與基波電流的大小無關(guān)。

SPWM波形的開關(guān)頻率為固定頻率，通過仿真分析輸入電流的頻譜，輸入電流的一次、二次開關(guān)頻率諧波幅度較大。為了使高頻整流電路能夠達(dá)到電源柜的性能要求，針對整流電路高次開關(guān)頻率諧波幅度較高及輸入電流紋波及畸變較大的問題，對于主電路進(jìn)行了改進(jìn)。

目前常用的治理諧波的方法有：無源濾波、有源濾波或混合有源濾波。有源濾波器需要直流電源供電，可靠性不如無源濾波器高，在高頻、大功率的場合不適用，并且體積大、成本高，因此本文著重研究了無源濾波對電路諧波的抑制作用[4]。改進(jìn)的設(shè)計(jì)方法有以下2個。

2.1 并聯(lián)諧振電路

為了降低輸入電流諧波，針對整流電路的高次開關(guān)頻率諧波幅度較大的問題，在電路的輸入端加上了兩個并聯(lián)諧振電路，分別用于抑制一次開關(guān)諧波和二次開關(guān)諧波。SPWM波形的開關(guān)頻率固定，因此可以設(shè)計(jì)兩個固定參數(shù)的LC并聯(lián)諧振電路，其等效電路圖如圖2所示。

圖2 高頻整流等效電路（并聯(lián)諧振電路）Fig.2 High frequency rectifier equivalent circuit（parallel resonant circuit）

2.2 LC低通濾波器

輸入電流的一次、二次開關(guān)頻率諧波主要集中在高頻，因此，可以在主電路的輸入端使用低通濾波器，濾除輸入電流的高次開關(guān)諧波。LC濾波器具有等效內(nèi)阻小、功率輸出大等優(yōu)點(diǎn)，適用于電源大功率輸出的場合，因此本文選擇了在主回路中加入二階LC低通濾波器，使其截止頻率略低于整流電路一次開關(guān)頻率[5-6]。

圖3 高頻整流等效電路（LC低通濾波器）Fig.3 High frequency rectifier equivalent circuit （LC low-pass filter）

3 高頻整流電路的仿真結(jié)果及分析

為了對高頻整流電路及其改進(jìn)電路的性能進(jìn)行比較，通過Multisim仿真軟件對設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行仿真分析。在如圖1所示的電路中，其中電網(wǎng)電壓Us=380 V，交流側(cè)濾波電感設(shè)置為L=1 mH，直流側(cè)濾波電容C=220 μF，輸出負(fù)載RL選擇為滿載時的40 Ω。通過對電路原理的分析和仿真實(shí)驗(yàn)，對于SPWM驅(qū)動控制方法，開關(guān)頻率取為工頻頻率的3的整數(shù)倍，SPWM波形的對稱性最好，因此，選取9 kHz為SPWM波形的開關(guān)頻率。

圖4 A相輸入電壓電流波形Fig.4 A phase input voltage and current waveform

圖5 A相輸入電流頻譜Fig.5 A phase input current spectrum

根據(jù)等效電路圖2和3所示，分別仿真測試了高頻整流電路，加入并聯(lián)諧振電路的高頻整流電路，加入LC低通濾波器的高頻整流電路這3種情況。加入LC濾波電路時，影響了后級輸出電容的濾波特性。為了滿足輸出紋波比的要求，將濾波電容從220 μF提高到600 μF。輸入電壓電流波形分別如圖4所示，圖4（a）未改進(jìn)的高頻整流電路輸入電壓電流波形，圖4（b）為加入并聯(lián)諧振電路的高頻整流電路輸入電壓電流波形，圖4（c）為加入LC低通濾波電路的高頻整流電路輸入電壓電流波形。波形較低的為輸入電流波形，從圖中可以明顯看出，在加入了并聯(lián)諧振電路或LC低通濾波器后，輸入電流的紋波和畸變得到了明顯改善。

輸入電流頻譜如圖5所示，圖5（a）為未改進(jìn)的高頻整流電路輸入電流頻譜，圖5（b）為加入并聯(lián)諧振電路的高頻整流電路輸入電流頻譜，圖5（c）為加入LC低通濾波電路的高頻整流電路輸入電流頻譜。圖5（a）中電路的一次開關(guān)頻率的幅度與基波幅度的比值：4.182/61.258=6.82%，單次諧波幅度較大，輸入電流的紋波就是由諧波導(dǎo)致；在加入了并聯(lián)諧振電路后，其電流頻譜如圖5（b）所示，一次二次開關(guān)頻率諧波已降低到3%以下；在電路輸入端加入LC低通濾波器后，電流頻譜如圖5（c）所示，其開關(guān)頻率諧波的幅度也降低到了3%以下。3次仿真輸入電流的THD分別為：9.7%、3.2%、3.4%；輸出電壓紋波比分別為：1.5%、0.67%、1.9%。從仿真結(jié)果可以看出，改進(jìn)的SPWM整流電路的輸入電流諧波及輸出電壓紋波都得到了明顯的改善達(dá)到了國際、國內(nèi)要求的標(biāo)準(zhǔn)。

4 高頻整流電路電磁兼容性的仿真結(jié)果及分析

模塊電源的交流輸入電壓通常會存在著其他小幅度的注入信號。當(dāng)輸入的三相電壓夾雜著注入信號時，要把其對高頻整流電路的影響降低到最小。為了測試改進(jìn)的高頻整流電路的電磁兼容性，在三相電的A相分別加入了頻率不同的幾組信號，其仿真測試結(jié)果如表1和表2所示。

表1 仿真結(jié)果（并聯(lián)諧振電路）Tab.1 Simulated results（parallel resonant circuit）

從仿真結(jié)果可以看出：加入并聯(lián)諧振電路時，注入信號對輸入電流THD和輸出電壓紋波影響較大；注入信號頻率為3.7 kHz時，輸入電流THD顯著增大，該頻率位于串聯(lián)諧振頻率附近，輸入電流THD幾乎完全由3.7 kHz諧波電流決定。加入LC低通濾波電路時，注入信號對輸入電流THD和輸出電壓紋波影響較小，在注入信號頻率較高時對注入信號對輸入電流THD和輸出電壓紋波影響可以忽略。

表2 仿真結(jié)果（LC低通濾波器）Tab.2 Simulated results（LC Low-pass filter）

5 結(jié)束語

為了實(shí)現(xiàn)高頻、大功率電源模塊輸入電流低諧波的要求，本文采用了主動型和被動型相結(jié)合的方式來抑制諧波。在考慮電路的體積和成本的基礎(chǔ)上，分別在高頻整流電路的輸入端加入了并聯(lián)諧振電路和LC低通濾波電路。加入并聯(lián)諧振電路時，可以較好地抑制輸入電流諧波，但電磁兼容性略差；加入LC低通濾波器時，電磁兼容性較好，但在抑制輸入電流諧波方面，性能略低于在高頻整流電流輸入端加入并聯(lián)諧振的電路。仿真結(jié)果驗(yàn)證了高頻整流改進(jìn)方案的可行性，使模塊電源的輸入電流諧波得到了有效地抑制。

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