与传统无源滤波和多脉冲整流技术相比,脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation, PWM)整流可实现输入电流和输出电压的闭环控制,代表了高性能交直流变换器的发展方向。近年来,PWM整流技术有了很大进展,己得到广泛的应用。本文主要结合航空大功率整流技术要求,对单周期控制的VIENNA整流器进行研究,重点研究了VIENNA整流器的设计方法、输入电流谐波含量减小、系统特性与控制等方面的问题。
论文研究了基于效率优化的VIENNA整流器设计方法。首先基于IGBT的工作机理,建立了新的开关管模型,模型反映了导通电流对开关暂态和续流二极管反向恢复过程的影响,更加准确；考虑开关管、滤波电感、续流二极管和整流桥等的损耗建立了VIENNA整流器完整的损耗模型,并采用Simulink/Stateflow工具箱完成损耗分析的数值计算,提高计算精度；利用测试电路和实验样机验证了开关模型和系统损耗模型的准确性,以及损耗分析方法的有效性,建立的损耗模型可用于分析VIENNA整流器在不同开关频率下的效率；最后结合额定功率为4kW的VIENNA整流器样机,利用验证过的系统损耗模型,给出了以效率优化为目标确定整流器开关频率的设计实例。基于效率优化的设计方法为确定航空用VIENNA整流器的电路参数提供了依据。
研究了降低单周期控制VIENNA整流器的输入电流谐波含量的措施。首先分析单边调制下单周期控制VIENNA整流器平均输入电流的频谱,指出了单边调制必然会导致整流器输入电流出现奇次谐波；为减小输入侧的奇次谐波电流,提出将采用下降沿调制和上升沿调制的变换器进行互补并联,以及采用双边调制的单周期控制VIENNA整流器；最后通过实验验证了理论分析的正确性,并证实了上述二种改进方案在减小输入电流奇次谐波含量方面的有效性。
研究了单周期控制VIENNA整流器控制系统的设计方法。首先分析指出现有系统模型的局限性,并建立新的系统大信号模型,该模型反映了滤波电感两端的压降,更加准确,既适用于较高开关频率的应用场合,也适用于开关频率与电源频率之比比较小的场合；对模型进行分析并揭示了变换器存在的基波相移问题和功率极限问题,推导了系统输出电压稳定运行的必要条件,分别研究了以电流脉动率和以基波相移量为设计依据的滤波电感取值方法；分析并揭示了单周期控制VIENNA整流器直流侧滤波电容的自动均压特性,可减少控制系统中电压采样通道数,并研究了电压控制器的参数设计方法；最后通过实验证实了理论分析的正确性和参数设计方法的有效性。
针对单电感滤波单周期控制VIENNA整流器存在的基波相移问题提出了电流滞后相位补偿方案,无需提高开关频率,无需降低滤波电感值,仅以滞后于电源电流的信号作为调制波即可减小基波相移量,提高系统的功率因数；针对整流系统输出电压动态响应差的问题提出负载电流前馈控制方案,利用负载电流信息对控制器的输出进行快速补偿,确保负载突变时输出电压的波动范围小；实验结果验证了电流滞后相位补偿方案和负载电流前馈控制方法的有效性。
为解决单电感滤波单周期控制的VIENNA整流器无法同时改善输入电流畸变率(Total Harmonic Distortion, THD)和基波相移因数两项指标的问题,提出以LCL滤波方案替换L滤波方案。分析了采样网侧、变换器侧电感电流时系统的稳定性,确定了LCL滤波系统中的电流采样方案,并提出新的LCL滤波器设计方法,最后进行了仿真和实验研究。按照新的设计方法,可首先选定系统的谐振频率,再完成滤波器的设计,有效减小了系统谐振,提高输入电流品质；滤波器的设计不仅保证输入电流满足预定的THD指标,还兼顾降低滤波电路的损耗,实现了电路参数的综合配置。实验结果显示,采用本文设计方法有效避免了系统谐振,获得了预期的滤波效果,相较L滤波方案,同等负载和开关频率下,采用LCL滤波方案既减小了输入电流THD,又减小了基波相移量,还显著降低了总的滤波电感值。
