【摘 要】
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电力电子装置在各领域的广泛使用给生产和生活提供了便利的同时,也向电网注入了大量谐波电流和无功功率,影响电网和其余并网装置的正常运行。其中三相整流器的电流质量和功率因数指标尤其受到重视,因此应用全控开关器件的有源功率因数校正装置得到了越来越多的关注。三相三电平Vienna整流器因其电流谐波特性好、功率因数高、开关器件电压应力低、结构简单和可靠性高等优点,在电动汽车充电装置和航空电源等领域有着极为广阔
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电力电子装置在各领域的广泛使用给生产和生活提供了便利的同时,也向电网注入了大量谐波电流和无功功率,影响电网和其余并网装置的正常运行。其中三相整流器的电流质量和功率因数指标尤其受到重视,因此应用全控开关器件的有源功率因数校正装置得到了越来越多的关注。三相三电平Vienna整流器因其电流谐波特性好、功率因数高、开关器件电压应力低、结构简单和可靠性高等优点,在电动汽车充电装置和航空电源等领域有着极为广阔的应用前景。在此背景下,整流器的效率和功率密度也成为了关键指标。以SiC MOSFET为代表的新一代功率器件相比于Si功率器件有低导通电阻、高开关速度和强热稳定性等优势,因此可以推动电力电子装置向高效率、高功率密度和高可靠性等方向发展。本文对基于全SiC功率器件的Vienna整流器从硬件设计和调制及控制策略两方面展开研究。首先,详细分析了Vienna整流器的工作原理和工作模态,分别建立了其在abc静止坐标系和d-q旋转坐标系下的数学模型,作为后续研究工作的理论基础。其次,在建立了SiC功率器件损耗模型的基础上,推导了Vienna整流器的开关电路损耗模型。以提高整机效率为目标,利用此模型对Vienna整流器的功率器件选型进行优化,结果充分显示了SiC功率器件在Vienna整流器中高效率的优势。此外,还设计了对开关电路的强制风冷散热器及主电路的输入输出滤波部分,然后通过热仿真验证了散热器的保证电路可靠工作的能力。再次,为了降低输入电流谐波,从电感电流纹波角度分析了两种载波调制方法的谐波构成。为了实现Vienna整流器的功率因数校正和输出电压稳定,在d-q旋转坐标系下分析并设计了双闭环PI控制策略。分析了中点电位不平衡产生的原因,并提出了改进的载波调制策略,然后通过仿真验证了控制策略及改进的载波调制策略的有效性。最后设计并搭建了55kW Vienna整流器样机,通过实验验证了样机硬件设计和调制及控制策略的有效性。实验结果表明,样机能够实现功率因数校正且电流谐波畸变率低,输出稳定可控的直流母线电压且纹波小,在改进的载波调制策略下,中点电位的不平衡问题得到明显抑制。
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