Vienna整流电路的基本原理和调制方式

前几天我们聊了有关充电桩的基本概念以及相应的系统框架，简化的就是AC-DC后DC-DC，今天我们就来聊聊以Vienna为主的前级整流电路，主要讲述Vienna整流电路的基本原理和调制方式。

Vienna整流电路

Vienna整流器于1994年被奥地利维也纳大学的学者J.W.Kolar提出，作为一种三电平变换器，相较于普通的两电平整流器如三相六开关整流器，其最大的优势在于，功率器件承受的应力降低了一半、功率密度高、输入电流的畸变小;相对于普通的三电平变换器，它具有电路简单、功率器件较少，无桥臂直通的可能从而避免了死区时间的设置，同时降低了开关损耗、控制的复杂性和增大了有限占空比，也就是说可靠性得到了大幅提高。

因此，针对直流充电桩等高压大功率场合，作为单向功率流动的Vienna整流器受到了很大的欢迎。

根据其输入输出的连接方式，我们可以分为三相四线制和三相三线制两类。前者的电源中线和输出电容中点相连，三相电路可以实现独立的控制;后者三相耦合，控制分为解耦和不解耦两种方法，也就是dq坐标系和abc静止坐标系两者分析方法。我们今天主要分析三相三线制。

Vienna基本工作原理

Vienna的基本电路拓扑如下：

其包括三个输入升压滤波电感、三相不可控整流桥(6个二极管)、三个双向开关组(每组包括两个反向串联的功率MOSFET)和两个输出电容。

当Vienna整流器处于稳态时，每一相的
桥臂均由一个双向开关来实现电流的双向流动，进而实现PFC功能(之前我们也提到虽然其是单向功率流动，但是其中电流仍是双向的)。我们以B相来进行说明，当Sb开通(我们记为1)时，无论ib正负与否，整流器输入端电压UBM被开关管钳位在0，如下图所示：

UBM=0，ib<0 UBM=0，ib<0

当Sb关断(我们记为0)时，电流ib仅能通过二极管Db1和Db2，且ib>0通过上整流管Db1，整流器输入端电压UBM被钳位在UPM;当ib<0通过下整流管Db2，整流器输入端电压被前卫在-UMN，如下图所示：

UBM=UPM，ib>0 UBM=-UMN，ib<0

故，Vienna整流器的输入端电压，我们可以用下式表示：

当输出上下电容能够实现均压，则UPM=UMN=UPN/2。所以上式我们可以转化为

式中，当开关管S1开通时为1，关断时则为0。当i1>0，sign(i)=1;i1<0，sign(i1)=1。

综上所述，输入端的电压方程可以表达为：

对于三相电网平衡系统，可得

Vienna的调制方法

Vienna整流器的调制方法，大多借鉴一普通的二极管钳位三电平变换器，常见的如载波脉宽调制CB-PWM，不连续调制DPWM以及空间矢量SVM。

载波调制中有正弦调制波调制SPWM和基于共模分量注入的载波调制。SPWM出现的较早，实现简单，并且输出效果较好，所以用的比较常见。但是其电压利用率不是很高，中点电压波动也比较大;共模分量注入的载波调制常用的时三次谐波，可以一定程度上弥补一下SPWM的缺陷。不连续调制在特定时间内分别将调制波钳位到正、负和零三种电平，从而降低电流的畸变，减少开关动作次数，但是仍然具有中点电压波动、电流谐波含量较大的缺点。

Vienna整流器的矢量分布图如下：

与普通三电平不同的是，其输入电压不仅与开关状态有关，同时还受到电流方向的限制。即在开关管开通时为零电平(o);在开关管关断时，当输入电流为正时，中点电压为正电平(p)，当输入电流为负时，中点电压为负电平(n)。

空间矢量表达式：

其中，Va、Vb、Vc表示各相对应的输入电压的电平，根据调制的特点，供可构建的矢量个数为3³=27个。其中，有三个零矢量，六个长度为2UPN/3的大矢量，六个长度为√3UPN/3的中矢量以及十二个长度为UPN/3的小矢量。而nnn和ppp为无效矢量，由于电流没有流通路径而不存在;ooo可以将三相电源构成回路而无输出电容的充放电。

以上便是今天的内容，希望你们能够喜欢，下一篇我们还继续聊Vienna，聊聊其另外的空间矢量调制方式，敬请期待。