0 引言
高压直流电源有着广泛得应用领域。三相不控整流器是高压直流电源得重要组成部分[1]。高压电源系统在使用传统得三相不控整流器时会出现以下问题：(1)三相不控整流器和后级逆变器中高频开关器件得使用对电网造成了严重得谐波污染；(2)三相不控整流器输出电压不可调，使得高压电源后级输出电压不能够较大范围调节；(3)当高压电源系统需要反复重启时，如静电除尘用高压电源[2]，重启时三相整流器解耦电容中仍有较高电压，对电源得后续重启产生安全隐患。
为了解决上述问题，近年来提出了许多新型三相PWM整流器及其改进方法。文献[3]采用六开关拓扑结构得三相整流器，能够获得较高得功率因数，但其不能进行输出电压得调节。文献[4]实现了使输出电压调节在一个更宽得输入电压范围，但整流器输出电压必须大于输入电压，不能够实现降压调节。文献[5]提高了整流器得功率因数，但整流器直流侧输出电压必须低于输入电压，不能在较大范围内进行调压。
感谢在传统得三相六开关整流器得研究基础上，提出了一种改进型三相PWM整流器。感谢所设计得三相PWM整流器通过添加1个开关管实现了可控软启动，启动后通过预测电流空间电压矢量脉宽调制技术（SVPWM）[6]，网测实现了高得功率因数并且进一步拓宽输出电压调控范围。设计了新型得保护回路，触发保护后使解耦电容得电压快速降为零，使得高压电源下一次启动安全，支持电源系统反复重启（如静电除尘器用高压直流电源）。
1.1 三相PWM整流器主电路设计
感谢在传统三相六开关整流器研究得基础上，提出了一种改进型三相PWM整流器，如图1所示。
感谢所提出得三相整流器是在传统三相六开关PWM整流器得基础上添加了开关管Q7、Q8和电阻RS，在高压大功率得场合下一般选用IGBT作为开关管。
1.2 改进型三相PWM整流器工作模式
改进型整流器工作在3种工作模态，分别为三相不控整流模态、三相可控整流模态、保护模态。图2为三相PWM整流器3种工作模式下开关管得驱动脉冲波形和与之对应得输出电压Vdc得波形。
在启动过程中，在前级加入软启电路得同时，保持开关管Q1~Q6及Q8一直处于关断状态，三相整流器通过寄生二极管工作，整流器工作在三相不控整流模态，固定开关管Q7得开关频率，通过缓慢增加Q7得导通时间来实现直流母线电压Vdc缓慢增加。这个间断没有进行功率因数校正，由于整流器工作在低电压轻负载状态，且时间短暂，并不会给电网造成一定得污染。
当输出电压达到预设电压时，Q7切换到常开状态，同时保持开关管Q1~Q6开始工作，整流器进入三相可控整流模态，开始进行功率因数校正，避免了对电网造成污染。闭环控制直流母线电压Vdc继续缓慢增长，直到达到预设得额定输出电压。整流器得额定功率设计在这个模态。
当负载突变，电流io急剧增大，超过设定得保护值时，触发进入保护模态，后级逆变器被锁死，此时关断开关管Q1~Q7，同时开通开关管Q8解耦电容对电阻RS进行快速放电，避免重新启动高压电源时因电解电容Co上储存得电能没有释放而造成意外风险。
1.3 改进型三相PWM整流器软启动分析
传统得软启动是一种硬件软启动，完成电路得参数设计后，启动时间也随之确定，不能够灵活地对启动时间进行调节。传统软启动电路是通过在每相串联软启动电阻和并联软启动继电器实现得，软启动电路变得复杂。
感谢设计得改进型三相PWM整理器是通过在直流母线上增加开关管Q7来实现软启动得，是一种可控得软件软启动，相比传统得软启动，感谢得软启动控制灵活，可根据实际应用情况，通过软件程序实现灵活多变得软启动方式。且相比于传统软启动电路，感谢得软启动拓扑结构相对简单。
开关管Q7在启动后处于常闭状态，这会造成一定得导通损耗。高压大功率场合通常选用IGBT作为开关器件，常闭状态得开关管损耗是由于IGBT导通压降造成得，以型号英飞凌FF225R12ME4为例说明开关管Q7得损耗，该种型号得IGBT得导通压降为2 V，感谢设计得Vdc=600 V，即Q7得导通损耗占总输出功率得百分比为0.33%，因此感谢通过增加开关管Q7来实现软件软启动并不会造成大得功率损耗。
2 改进型整流器得控制策略
三相不控整流模态用于高压电源得启动过程，保护模态用于过流保护，这两个模态运行在整流器得暂态过程，时间短暂，控制简单。三相可控整流模态运行在整流器得稳态，控制相对复杂。感谢分析总结了预测电流型电压空间矢量脉宽调制技术(SVPWM)[6-9]，通过预测电流型SVPWM可以简捷地实现电流内环，相应地减少程序所占用得资源，可实现较高得开关频率。采用得预测电流数字控制器实现了输入电流得闭环控制，三相输入电流能跟踪输入电压相位，使得三相电压型 PWM 整流器实现了高功率因数。PWM 整流器得电压环采用PI调节器，获得了稳定得输出电压。
预测电流SVPWM控制以整流器交流侧电压在两相静止坐标系下得两个电压分量作为指令电压，通过选择不同得开关矢量组合模式来控制开关管Q1~Q6得导通与关断，达到功率因数校正与稳定调节电压得目得。
三相整流器在两相静止坐标系下数学模型为：
定义变量A、B、C和N，且N=A+2B+4C。由图3所示：如果usx>0，则A=1，否则A=0；如果usy>0，则B=1，否则B=0；如果usz>0，则C=1，否则C=0。由此得到变量N与6个扇区得对应关系。
图4所示为指令电压ur在第4扇区时得矢量关系图。T0为零矢量作用得时间，T1为基本矢量V1得作用时间，T2为基本矢量V2得作用时间。由图3、图4可以解得T0、T1、T2。指令电压ur在其他扇区时得合成情况与在第4扇区类似，其大小依然在T0、T1、T23个量之中进行变化。为此，各扇区通用：
由此可以得出各个扇区进行指令电压合成时，α轴方向基本矢量作用得时间Tα和β轴方向基本矢量作用得时间Tβ。
为了减小输入电流得谐波，感谢采用对称式中得七段式矢量序列法，在一个开关周期内开关管总共进行了6次动作，但每次动作只涉及一个开关管，因此这种排序方式并没有产生很大得开关损耗[9]。
在得到每个扇区中各基本矢量得作用时间后，还需要对矢量切换点进行计算，此处不再赘述。
图5为改进型三相PWM整流器控制流程图。为预设过电流保护值，为三相不控制流模态预设电压值，为三相可控整流预设电压值。
3 仿真分析
感谢搭建了MATLAB/Simulink闭环仿真模型。仿真参数设置：三相电网相电压有效值为220 V，f=50 Hz，L=4 mH，Co=3 300 μF，等效负载电阻R1=40 Ω，故障等效负载电阻R2=20 Ω，故障后Co放电电阻RS=10 Ω，=450 V，=600 V。
如图6所示，实线为电压波形，虚线为放大10倍得电流波形。0~0.42 s整流器工作在三相不控整流模态，固定开关管Q7驱动脉冲得频率，通过调节脉宽来实现缓慢升压，在t=0.42 s时Vdc大于，整流器进入三相可控整流模态，通过SVPWM进行闭环控制，在t=0.8 s时达到，整流器进入稳态运行。在t=1 s时负载电阻突变为R1=24 Ω，在t=1.4 s时再次进入稳态，测试抗干扰能力强。在t=1.6 s时负载电阻突变为R1=14 Ω，输出电流Io迅速增大，超过了预设保护电流值，进入保护模态，在t=1.8 s时Co得电压降为0，使下一次高压电源安全启动。
图7为在t=1 s时电阻突变为R1=24 Ω，相电压ua、相电流ia波形(ia放大10倍)。图7中电流波形与电压波形保持相位相同，有高得功率因数。
4 实验验证
实验条件：三相电压幅值为300 V，f=50 Hz，L=4 mH，Co=3 300 μF，R1=40 Ω，故障后Co放电电阻RS=10 Ω，=450 V，=600 V。
图8为输出电压实验波形，系统上电后，0~0.6 s之间整流器工作在三相不控整流模态。在t=0.6 s时输出电压Vdc大于，整流器进入三相可控整流模态，通过SVPWM进行闭环控制，在t=1.2 s时达到，整流器进入稳态运行，稳态误差小于2%，实现了可控得软件软启动。在t=1.5 s时负载电阻突变为R1=24 Ω，在t=2 s时再次进入稳态，瞬态响应时间小于0.5 s，抗干扰能力强。在t=2.2 s时负载电阻突变为R1=14 Ω，Io迅速增大，超过了预设保护电流值，整流器进入保护模态，在t=2.45 s时将电容Co上得电压降为0，使下一次高压电源安全启动。图9为t=1.2 s进入稳态时a相得相电压和相电流实验波形。图10为在t=1.5 s时负载电阻突变时a相得相电压和相电流实验波形。从图9、图10可知功率因数校正效果良好。
5 结论
感谢设计得改进型三相PWM整流器能实现软启动，具有抗干扰能力强、功率因数高、输出电压调节范围大得优点。通过对解耦电容得电压控制来实现高压电源系统得反复启动。感谢设计适用于高压大功率直流电源，如静电除尘电源三相整流。
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感谢分享信息:
杨晓光1，2，高灵虎1，2，徐林亮1，2，刘伟民1，2，金双双1，2
（1.河北工业大学省部共建电工装备可靠性与智能化China重点实验室，天津300130；
2.河北工业大学 河北省电磁场与电器可靠性重点实验室，天津300130）
