英语原文共 11 页

变频电源功率因数校正整流器在汽车上的应用

Amine Toumi、Mohamed Radhouan Hachicha、Moez Ghariani、Rafik Neji

电动汽车和电力电子集团 (VEEP)、电子和信息技术实验室 (LETI)、

Sfax 国立工程学院 (ENIS)、Sfax 大学、Sfax、突尼斯

电子邮件：amine_toumi_tn@yahoo.fr，radhouan.mail@gmail.com,，moez.ghariani@isecs.u.tn，moez.ayadi@enis.u.tn,，rafik.neji@enis.u.tn，

接收日期：2013年10月6日；修订日期：2013年11月6日；接受日期：2013年11月13日

版权所有copy;2014 Amine Toumi 等，这是一篇根据知识共享署名许可发布的开放获取文章，允许在任何媒体上不受限制地使用、分发和复制，前提是原著被适当引用。根据知识共享署名许可，copy;2014 年所有版权均保留给 SCIRP 和知识产权的所有者Amine Toumi 等人。所有版权均受法律和 SCIRP 保护。

摘要：本文介绍了一种采用变频电源的 PFCVF（功率因数校正）整流器。在这种应用中，交流发电机的信号频率随车速而变化，对交流发电机的过载作用引入谐波电流，增加了对交流发电机视功率的要求。为克服这些问题，提高交流发电机的稳定性，改善设计，提出了一种新的三次谐波注入技术。这种技术可以在任何频率下保持输入源良好的 THD（总谐波失真），并减少半导体开关的损耗，从而获得更高的稳定性并降低对表观功率的要求。对标准和新技术进行了比较研究，突出了新设计的有效性。详细分析了该拓扑结构，给出了仿真和实验结果。

关键词：异步电机；转子磁链矢量控制；PWM；升压变换器；谐波注入；功率因数校正；三相整流；结温

1前言

这项技术有着三十多年持续的技术和理论发展。可以说，这些高性能整流器符合现代标准并已在工业中得到广泛接受。最简单的线路换流变换器是用二极管将交流电转换为直流电。这些换向变换器的主要缺点是无功功率和产生的谐波[1-3]。谐波对电力系统的运行具有负面影响，因此，人们越来越关注谐波的产生和控制[4,5]。三相输入最常用的功率因数校正 (PFC) 方法之一是全桥式 PWM 整流器。传统的 PWM 整流器可以获得没有谐波失真的正弦输入电流。然而，就成本而言，传统的 PWM 整流器并不是 PFC [6-9]的最佳解决方案。减少输入电流谐波的一个基本方法是使用基于多绕组变压器的多脉冲连接。一个额外的改进是无源电力滤波器的使用。在过去几年中，引入了有源滤波器，以减少注入网电源的谐波。降低谐波的另一种方法是功率因数校正 (PFC)。在这些变换器中，诸如栅关断晶闸管 (GTOs)、绝缘栅双极晶体管 (IGBTs)等受控功率开关集成在整流功率电路中，以主动改变输入电流波形，从而减少失真[10]。这些电路减少了谐波，提高了功率因数。

谐波电流会导致导体中额外的焦耳损耗。它们的存在缩短了交流发电机的寿命，并增加了对功率的要求。

本文介绍了一种采用变频电源的功率因数校正整流器 (PFCVF)，用于电动和混合动力汽车的交流发电机。这种解决方案旨在提高稳定性，尽量减少损失和减少发电机视在功率，以便更好的设计，从而获得更好的性能和更低的成本。首先，我们提出了同步发电机模型。在第二部分，我们描述了三次谐波注入法。由于在这种注入方法中我们使用调谐电路，因此应用固定频率电流注入，其仅在固定频率源处有用。我们还提出了一种新的注入方法。它产生一个正弦波电流注入，并可以修改受影响信号的幅度，频率甚至形式。新设计的电路在输入源的大频率范围内工作。第三部分提出了动力模块的热建模方法。最后，详细介绍了仿真和实验结果，以突出新设计的有效性。

2. 同步发电机描述

所用的机器与凸极同步[11,12]；其模型如图 1 所示。

这台机器的动态模型可描述如下

式中：为定子电压矢量，为转子电压矢量。

图 1. 机器型号。

2.1. 电压方程

转子铁损耗被忽略了（与定子频率相比，转子频率很弱）。根据 Park 模型，定子框架中的电压方程由以下等式给出：

2.2. 电流方程式

定子机架中的电流方程式如下：

2.3. 通量方程

3.三次谐波电流注入

由于对于给定的一组相电压，一个相电压不能同时达到最高和最低，所以其中两个相接在负载上，而在每个点中都有一个相未接在负载上。当相位电压既不是最大值也不是最小值时，这会导致输入电流在时间间隔中等于零。相电流中的间隙是引入电流注入方法的主要原因。此外，三相二极管桥式整流器在输入电流中存在较高的总谐波畸变 (THD)，可以使用注入方法降低畸变。图 2 显示了源电流模拟结果。如图 2 (a) 所示，我们注意到源电流 的不连续性。无注入的电流 FFT 如图 2 (b) 所示。我们注意到三相二极管桥式整流器的输入电流THD相对较高，对所考虑的电路，大约为29.11%。

我们可以使用三次谐波电流注入方法来减少这种失真。下一段介绍了三次谐波电流注入的总体方案。THD 定义为信号总谐波的均方根值（RMS）除以其基本信号的均方根值。对于电流，定义如下：

图 2. 源电流模拟结果

(a) 源电流 is1；(b) 无注入的电流 FFT

谐波注入方法的一般方案如图3所示。它显示了一个二极管桥式整流器，由六个二极管组成，其中三个整流正波，后三个整流负波。增加了两个电路，一个电流注入网络和一个电流注入装置。第一个电路产生注入电流，其特征在于频率是电源频率的三倍。在本文中，电流注入的频率为 150Hz。第二个电路分为三部分，每个部分将注入到每个输入源相位。

3.1. 开关电流注入

开关电流注入装置如图 4 所示，它由一个逻辑控制器控制的三个开关组成。当指定相位未连接二极管电桥时，每个开关都会打开；因此，每个相位中的电流在注入后没有间断。

图 3. 谐波注入法的总体方案

图 4. 开关电流注入装置

图 5. 注射装置电路

三个比较器给出了六个二进制值，用于描述输入源电压电平之间的每个交叉点；矩阵解码器使用以下逻辑表激活不同开关：

3.2. 现行进样网络

参考书目[13-15]介绍了当前注入网络的各种方法。图 6(a)显示了使用调谐 LC 电路的电流注入网络。它采用两个电感和两个电容调谐到共振频率 3 Fe（150 赫兹），电阻限制注入电流。

3.3 新设计电路三次谐波电流注入

图 6(a)显示了使用调谐LC滤波器的标准电流注入网络。这种类型的电路不能改变注入电流的频率，它使用两个电感和两个调谐频率为 3 Fe (150 Hz) 的电容器；电阻限制注入电流。谐振电路的公式如下：

其中，L=60 mH 和 C=18.75 F。

新设计使用开关器件来修改注入电流，如图6 (b)所示。

图 6(b)中的电感L用作电流发器源。电流波形由两个开关激活产生；第一个开关产生注入电流的正极形式，第二个开关产生负极形式。

两个开关都使用简单的逻辑控制进行控制。图7显示了具有用于产生三次谐波注入电流的逻辑控制的电流注入网络。

流过电感 L 的电流可表述如下：

而其两端的电压由以下公式给出：

图 6。标准和新设计的电流注入网络

(a) 调谐 LC 电路；(b) 使用开关装置

图 7. 带有逻辑控制的注入网络。

图 8. 注射系统的控制逻辑。

L的选择反映了当前所需参考的斜率；该电感的降低受到注入电路开关频率的限制。注入系统的控制逻辑在施密特触发器规律中运行；如图 8 所示。

4.功率混合模块的热建模

由于大多数半导体器件模型都是在电路仿真仪中实现的，因此热电路网络是电热仿真的实用模型。

文献提出了一些构建热网络的方法，相当于热方程的离散化。例如，提出了有限差分法 (FDM) 和有限元法(FEM)。在垂直功率器件中，与其他尺寸相比，厚度LSI较小，通常认为在硅的顶表面产生热量，并沿 x 轴（垂直于硅表面）均匀流动。因此，顶面被认为是设备在 x=0 的几何边界，其中输入功率被假定为均匀耗散。在我们的例子中，我们选择了(FEM)技术来建立二极管结构的热模型。每种材料均由简化的一维热模型表示。对于绝缘层和基板层，在一维模型的基础上进行了改进，考虑了不同元件之间的相互热影响。硅材料的热模型可用图 9 所示的等效电路[16-18]表示，其中：

而 n 是材料模型中的节点数。

图 9. 硅材料的一维有限元热模型。

使用功率二极管BYT 12P-1000（12A/1000 V）（TO220封装）进行热研究[19,20]。

采用叠加技术建立了二极管结构的简化热模型。该方法仅要求对每个现有的独立热源进行一次试验。每次测试期间，必须测量所有器械的结温[21,22]。

组件的热模型在MATLAB模拟器 （MATLAB，2010) 中实现，以便估计二极管的结温。图 10 显示了二极管中最高结温和模块基板温度随消耗功率幅值的变化。这些结果是通过一维热模型、通过实验和在稳态条件下的三维数值模拟得到的。观察到进化结果之间的良好一致性。结果表明，该模型是有效的。

图11显示了功率二极管模块的电热模拟技术图。电学模型与热学模型耦合。将器件功率损耗的瞬时值注入热模型，在该模型中定义了模块的热特性。然后，通过热模型产生瞬时器件温度，并由此确定依赖器件模型参数的温度。使用电路模拟器同时进行这些计算。该器件和热模型是电热仿真的重要组成部分。该图用于估算半导体开关的损耗；它在SIMULINK / MATLAB环境中建模

图 10.二极管最大结点和基板温度作为耗散功率量级的函数（大气压 298 K）

图 11.电热耦合图模拟。

5. 仿真结果与讨论

标准的电路注入方法以固定的速度工作。仿真结果如图12所示。源电流和以及注入电流分别如图12(a)-(c)所示。源电流的THD如图 12(d)所示。我们认为低速时谐波失真很小。

图6(b)所示的电路注入网络的新设计使用两个开关产生注入电流。在变速运行时，改变当前的参考频率；电流的注入网络控制试图跟随当前的参考频率。图13显示了新电流注入网络控制电路设计的仿真结果；注入电流非常接近参考电流。我们用一个变焦装置来聚焦注入电流的形式和两个开关的换流。仅用于注入电流的正极，而 用于负极。

图 14 显示了经典PFC和拟定PFCVF的谐波频谱。我们在1000到6000 rpm的不同速度下模拟了两个电路。

根据经典PFC和拟定PFCVF的谐波顺序，谐波电流的变化分别见图14(a)和(b)中示出的1000 rpm、图14(c)和(d)示出的3000 rpm以及图14(e)和(f)的6000 rpm。

图 12.标准电路注入法的模拟结果

(a) 源电流 i1；(b) 源电流 i1；

(c) 注入电流 iX1；(d) 源电流的 THD

图 13. 新电流注入网络控制电路设计的仿真结果

图 14.经典 PFC 和拟定 PFCVF 的谐波谱

(a) 经典 PFC 的谐波谱 (1000 rpm)；

(b) 拟定 PFCVF 的谐波谱 (1000 rpm)；

(c) 经典 PFC 的谐波谱 (3000 rpm)；

(d) 拟定 PFCVF 的谐波谱 (3000 rpm)；

(e) 经典 PFC 的谐波谱 (6000 rpm)；

(f) 拟定 PFCVF 的谐波谱 (6000 rpm)。

如表1所示，对于1000 rpm，拟定 PFCVF 的 THD 为7.4%，略高于传统的具有5.4%的THD的PFC。对于2000 rpm；拟定PFCVF的THD比经典的 PFC 好5.89%， THD 为11.29%。对于 6000 rpm，拟定PFCVF的THD比经典的 PFC 好7.35%， THD 为18.21%。

表1.经典PFC的THD和提出的PFCVF

在低速时，标准注入电路中的THD 略低；事实上，由于和的换向，新的电流注入网络产生高频噪声；但是，与标准电流注入网络引起的不协调相比，这种换向噪声在高速下是微不足道的。所提出的 PFCVF 策略降低了电机相电流中的 THD。事实上，它提高了输出电压，并减少了输出总谐波失真和半导体开关上的电压应力。通过采用 PFCVF策略，整个机器速度的值降低至 7.35%。

图15显示了电机电磁转矩随时间的变化，由经典 PFC 和对应于3000 rpm的拟定 PFCVF 获得。

这些结果表明，就提出的PFCVF在来说，经典 PFC 情况下的机器转矩，呈现出纹波超过60%对10%。提出的 PFCVF 策略减小了机器转矩脉动。图 1

资料编号：[4658]