發(fā)布時間：2017-04-17 15:50

第一章 緒論 

1.1  研究背景和意義 
隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展、數(shù)字信號處理技術(shù)以及控制技術(shù)的發(fā)展，電力電子技術(shù)正在向著高頻化、數(shù)字化、模塊化、綠色能源化發(fā)展[1-3]。電力電子設(shè)備的體積、智能程度、效率、諧波、功率因數(shù)等指標也在不斷得到改善。不間斷電源作為電力電子技術(shù)的一個重要分支，在電力電子的發(fā)展中扮演著重要角色。隨著我國大力推廣互聯(lián)網(wǎng)加政策，互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，，對于不間斷電源的需求也越來越大。目前，國內(nèi)的不間斷電源提供商主要為國外三大品牌：伊頓、施耐德、艾默生，本土 UPS 廠商只占有少數(shù)市場份額。在各種功率等級的不間斷電源產(chǎn)品中，小功率不間斷電源占有絕大多數(shù)市場份額。根據(jù)賽迪顧問對 2014 年 7 月中國不間斷電源的市場分析報告，功率大于等于 3k VA 小于10k VA 的不間斷電源占總銷量的 33.6%，銷售額占比 19.2%，銷量和銷售額在所有功率等級中均為第一，功率小于 3k VA 的不間斷電源占總銷量的 66.7%，銷售額占比 15.5%，銷量在所有功率等級中排名第一。從以上數(shù)據(jù)可以看出，中小功率不間斷電源競爭異常激烈，要想突破國外廠商的壟斷，必須在中小功率不間斷電源上下功夫�；�于此種背景，本人所在的實驗室受企業(yè)委托為企業(yè)研制一臺 5k VA 以 IGBT 為功率器件的不間斷電源。本人負責(zé)不間斷電源整流模塊的研究，并在 IGBT 不間斷電源整流模塊研究的基礎(chǔ)上對Si C MOSFET 不間斷電源整流模塊進行初步研究。  本文將基于 IGBT 模塊研制一臺不間斷電源整流模塊樣機，驗證本文提出的改進型PI 控制策略的正確性和有效性以及本文提出的交流電感選型方法的正確性。在完成此實驗的基礎(chǔ)上，對 Si C MOSFET 整流模塊進行初步的研究，以便下一步對 Si C MOSFET 整流模塊進行全面研究。Si C 半導(dǎo)體相對于傳統(tǒng)的 Si 半導(dǎo)體具有耐壓高、導(dǎo)通電阻低、熱穩(wěn)定性好、開關(guān)頻率高、開關(guān)損耗低等諸多優(yōu)點[4-6]�？梢灶A(yù)見，隨著價格的降低以及技術(shù)的成熟，基于 Si C MOSFET 的不間斷電源整流模塊的市場份額將會逐漸擴大。 
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1.2  整流模塊的研究現(xiàn)狀
整流模塊，也可以稱之為整流器，其性能受到開關(guān)器件、拓撲以及控制策略等多種因素的綜合影響。下文將從器件、拓撲、控制策略三個方面闡述整流模塊的研究現(xiàn)狀。自從 20 世紀 50 年代初期電力二極管應(yīng)用于電力領(lǐng)域以來，電力電子器件經(jīng)歷了從不可控到可控的變遷，先后出現(xiàn)了晶閘管、MOSFET、IGBT 等典型電力電子器件[7]。電力二極管既不能控制其開通也不能控制其關(guān)斷，屬于不可控器件，只能利用器件外部條件使其開通或者關(guān)斷。由于電力二極管結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定，因此得到了廣泛的應(yīng)用。在全控型器件組成的拓撲中，多伴有電力二極管�？梢哉f，電力二極管在電力電子的發(fā)展史中具有不可替代的作用。但是由于電力二極管的不可控特性，在對性能指標要求較高的場所，電力二極管往往不能滿足要求，通常作為輔助性器件存在。電力二極管種類繁多，如普通二極管、快恢復(fù)二極管、肖特基二極管等等。 1956 年，半控型器件——晶閘管在美國貝爾實驗室誕生，標志著電力電子技術(shù)的產(chǎn)生。晶閘管屬于半控型器件，通過對門極觸發(fā)可以使晶閘管開通，但是不能通過對門極的控制使其關(guān)斷。晶閘管的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)特性決定晶閘管在低頻率高電壓大電流應(yīng)用場合中有著不可替代的作用[8]，在中小功率應(yīng)用場合已不常見。根據(jù)應(yīng)用場合的不同，晶閘管的種類也有不同，如快速晶閘管、逆導(dǎo)晶閘管、雙向晶閘管、光控晶閘管等等。 20 世紀 80 年代以來，隨著電力電子技術(shù)與信息電子技術(shù)的交叉融合，誕生了一系列全控型電力電子器件，如門極可關(guān)斷晶閘管、電力晶體管、電力場效應(yīng)晶體管和絕緣柵雙極晶體管。與信息電子技術(shù)中的場效應(yīng)晶體管對應(yīng)，電力電子技術(shù)中的場效應(yīng)晶體管也分為結(jié)型和絕緣柵型，但應(yīng)用較多的是電力 MOSFET（Metallic Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）。電力 MOSFET 屬于電壓控制型全控型電力電子器件，可以通過驅(qū)動電路控制其開通和關(guān)斷，且驅(qū)動電路簡單，驅(qū)動功率小。由于其半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)特性，電力 MOSFET 可以工作在高達 MHz 的頻率下，但是基于 Si  材料的電力 MOSFET 在高壓下導(dǎo)通電阻大，具有耐壓低、電流容量小的缺點，多應(yīng)用于高頻小功率的場合。為了解決電力 MOSFET 導(dǎo)通電阻大的問題，RCA 公司和 GE 公司于 1892 年開發(fā)了一種復(fù)合型全控型電力電子器件—絕緣柵雙極晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）。
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第二章  不間斷電源整流模塊的數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型

作為對研究對象的一種理想化抽象，抓住了研究對象的主要因素，忽略了研究對象的次要因素，方便對研究對象進行研究與設(shè)計。本文選取的整流模塊具有網(wǎng)側(cè)電流正弦化、單位功率因數(shù)、直流側(cè)輸出電壓可調(diào)的優(yōu)點。為了實現(xiàn)以上功能，必須首先掌握整流模塊的數(shù)學(xué)模型。因此，本文首先推導(dǎo)不間斷電源整流模塊在三相靜止坐標系、兩相靜止直角坐標系、兩相旋轉(zhuǎn)直角坐標系下的數(shù)學(xué)模型，以便對整流模塊進一步研究分析。

2.1  兩電平電壓源型整流模塊的拓撲 
兩電平電壓源型整流模塊的電路拓撲如圖 2-1 所示，為表達方便，如無特別說明，下文所述整流模塊一般指兩電平電壓源型整流模塊。其中ae、be、ce為三相對稱電網(wǎng)電壓；L為電感，其功能為濾波并為整流模塊和電網(wǎng)的能量交換提供通道；1S至6S為開關(guān)管，可以為 IGBT 或者 MOSFET 等全控型電力電子器件；1C、2C為電解電容，起著儲存能量的作用，并且可以為逆變單元提供電壓中性點；LR為負載電阻。 整流模塊同一橋臂的兩個開關(guān)管（1S和2S、3S和4S、5S和6S）不能同時導(dǎo)通，一旦同一橋臂的上下兩個開關(guān)管同時導(dǎo)通，相當(dāng)于在直流側(cè)電解電容1C和2C兩端并聯(lián)一根電阻很小的導(dǎo)線，造成短路，燒壞裝置。因此，同一時刻每相橋臂只能有一個開關(guān)管導(dǎo)通。工程中為了防止橋臂直通，通常在軟件中或者硬件中加入死區(qū)。以整流模塊的 A相為例進行分析：當(dāng) A 相開關(guān)管1S導(dǎo)通，開關(guān)管2S關(guān)斷時，無論電流ai是正還是負，整流模塊 A 相電路均可等效為圖 2-2 所示的電路；當(dāng) A 相開關(guān)管1S關(guān)斷，開關(guān)管2S導(dǎo)通時，無論電流ai是正還是負，整流模塊 A 相電路均可等效為圖 2-3 所示電路。整流模塊的 B 相和 C 相均可以進行同樣的等效。 
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2.2  整流模塊在三相靜止坐標系下的數(shù)學(xué)模型
整流模塊在三相靜止坐標系系下的數(shù)學(xué)模型是推導(dǎo)整流模塊在兩相靜止直角坐標系下的數(shù)學(xué)模型和兩相旋轉(zhuǎn)直角坐標系下的數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)，因此本文將先建立整流模塊在三相靜止坐標系系下的數(shù)學(xué)模型。整流模塊在兩相靜止直角坐標系下的數(shù)學(xué)模型可以由整流模塊在三相靜止坐標系下的數(shù)學(xué)模型變換而來。完成從三相靜止坐標系到兩相靜止直角坐標系的變換稱作Clark 變換。因此，本文首先介紹 Clark 變換，再介紹整流模塊在兩相靜止直角坐標系下的數(shù)學(xué)模型。 
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第三章  不間斷電源整流模塊的控制系統(tǒng) ...... 17 
3.1  鎖相環(huán) ......... 17 
3.1.1  鎖相環(huán)基本原理 ............ 17 
3.1.2  鎖相環(huán)的實現(xiàn)方法 ....... 18 
3.2  空間矢量脈沖寬度調(diào)制 SVPWM ..... 19 
3.3  電流內(nèi)環(huán)控制器設(shè)計 ..... 27 
3.4  電壓外環(huán)控制器設(shè)計 ..... 30 
3.5  本章小結(jié) ..... 34 
第四章  系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) .... 35 
4.1  硬件系統(tǒng)設(shè)計 ....... 35 
4.1.1  主電路設(shè)計 .......... 35 
4.1.2  采樣電路設(shè)計 ...... 43 
4.1.3  驅(qū)動電路設(shè)計 ...... 45 
4.2  軟件系統(tǒng)設(shè)計 ....... 51
4.3  本章小結(jié) ..... 54 
第五章  實驗結(jié)果及分析 .... 55

第五章  實驗結(jié)果及分析 

基于本文搭建的硬件平臺以及 TI 公司提供的代碼編寫平臺 Code Composer Studio，本文進行了大量的實驗，驗證了本文提出的改進型 PI 控制策略以及電感選型方法的正確性及有效性，并對 Si C MOSFET 整流模塊進行了初步的實驗研究。 為了方便觀察整流模塊的暫態(tài)響應(yīng)，便于對軟硬件系統(tǒng)進行分析改進，本文在程序中建立了相關(guān)變量的數(shù)組，并通過 TMS320F28335 與個人電腦的通信，將相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸?shù)絺�人電腦上，通過 Code Composer Studio 提供的 Graph 功能將實驗過程中的相關(guān)變量的相應(yīng)波形顯示出來。出于論文需要，最后利用 MATLB 對數(shù)據(jù)進行了處理。為表達簡便，下文中如無特別說明，實驗結(jié)果均指 IGBT 整流模塊實驗結(jié)果。 圖 5-1 為整流模塊啟動過程中 a 相電流響應(yīng)波形，圖 5-2 為整流模塊啟動過程中直流電壓響應(yīng)波形。從圖 5-1 和圖 5-2 的實驗結(jié)果中可以看出，整流模塊啟動過程中 a 相電流過渡平緩，沒有大的超超調(diào)出現(xiàn)，直流側(cè)輸出電壓同樣過渡平緩，沒有出現(xiàn)大的超調(diào)，且在大約 0.1s 的時間內(nèi)系統(tǒng)已經(jīng)達到了穩(wěn)態(tài)，由此證明了本文提出的改進型 PI 控制策略可以有效解決整流模塊的啟動超調(diào)過大的問題且具有較快的響應(yīng)速度。 圖 5-3 為啟動過程中 d 軸電流指令值drefI的波形，圖 5-4 為啟動過程中 d 軸電流dI波形。

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總結(jié)

三相半橋電壓源型 PWM 整流模塊結(jié)構(gòu)簡單、能量可以雙向流動、交流側(cè)電壓電流同相位、控制簡單、易于數(shù)字化實現(xiàn)，因此特別適合用于小功率整流模塊。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，側(cè)重于整流模塊實驗平臺的搭建和功能的實現(xiàn)，并且驗證本文提出的低超調(diào)啟動算法以及交流側(cè)電感選擇方法的正確性和有效性。在此基礎(chǔ)上，對 Si C MOSFET整流模塊進行了初步的實驗研究。本文完成的工作有以下幾點： 查閱了相關(guān)文獻，研究了整流模塊的研究現(xiàn)狀，包括開關(guān)器件研究現(xiàn)狀、整流模塊拓撲的研究現(xiàn)狀以及整流模塊控制策略的研究現(xiàn)狀。在開關(guān)器件研究章節(jié)中，對比了電力二極管、晶閘管、電力 MOSFET、IGBT 以及 Si C MOSFET 的優(yōu)缺點。在整流模塊拓撲研究中，對比了常見的電壓源型整流模塊拓撲三相半橋拓撲、中點鉗位三電平拓撲以及 VIENNA 整流拓撲的優(yōu)缺點，并選擇了三相半橋拓撲作為本文采用的拓撲。在整流模塊控制策略中，簡述了滯環(huán)電流控制策略以及電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)雙 PI 矢量控制策略的工作原理，并指出了目前存在的一些新型控制策略。 建立了整流模塊的開關(guān)函數(shù)模型。首先在三相靜止坐標系下建立了整流模塊的開關(guān)函數(shù)模型，然后介紹了 Clark 變換和 Park 變換，并且利用 Clark 變換和 Park 變換將三相靜止坐標系下的開關(guān)函數(shù)模型轉(zhuǎn)換到兩相靜止直角坐標系和兩相旋轉(zhuǎn)直角坐標系下，為下文控制器的設(shè)計打下了理論基礎(chǔ)。 設(shè)計了整流模塊的硬件系統(tǒng)。整流模塊的硬件系統(tǒng)主要包括開關(guān)管的選取、交流側(cè)電感的選取以及直流側(cè)電容的選取。本文詳細推導(dǎo)了采用空間矢量脈沖寬度調(diào)制SVPWM 的三相半橋型電壓源型整流模塊的總諧波電流畸變率與基波電流達到峰值處的電流波形以及基波電流為零時的電流波形的關(guān)系，推導(dǎo)出了電感選取的上下限，并結(jié)合仿真工具，確定了電感的取值，對于工程實踐具有一定的參考意義。同時，本文詳細闡述了交流電壓、交流電流、直流電壓的采樣電路設(shè)計以及 IGBT 驅(qū)動電路設(shè)計和 Si C MOSFET 驅(qū)動電路設(shè)計。 
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參考文獻(略)

本文編號：313698