摘要：通過對單相PWM整流器的控制思路的提出，分析并總結了單相PWM整流器直接電流控制的幾種控制策略，分析了每種策略的工作原理和優(yōu)缺點，并總結和展望了單相PWM整流器直接電流控制技術的發(fā)展趨勢。

　　1.前言

　　隨著電力電子技術的發(fā)展，功率電子設備的應用越來越廣泛，致使大量的非線性負載涌入電網，給電力系統(tǒng)的電壓和電流都帶來了越來越嚴重的諧波污染。而PWM整流器提高了系統(tǒng)的功率因數(shù)，降低了對電網的諧波污染，得到了人們的重視。

　　根據輸入電感電流狀態(tài)PWM整流器可分為電流斷續(xù)工作模式（DCM）和電流連續(xù)工作模式（CCM），由于CCM模式具有輸入輸出電流紋波小、濾波容易、器件導通損耗小、適用于大功率場合等優(yōu)點，得到了更多地關注。在CCM模式中，根據是否直接選取瞬態(tài)電感電流作為反饋量，又可分為直接電流控制和間接電流控制。間接電流控制結構簡單、無需電流傳感器，但是它的缺點是電流動態(tài)響應緩慢，甚至交流側電流中含有直流分量，且對系統(tǒng)參數(shù)波動較敏感。相對于間接電流控制，直接電流控制把整流器的輸入電流作為反饋和被控量，形成電流閉環(huán) 控制，使電流動、靜態(tài)性能得到了提高，同時也使網側電流控制對系統(tǒng)參數(shù)不敏感，從而增強了電流控制系統(tǒng)的魯棒性。所以，直接電流控制技術有著非常廣闊的應用前景和使用價值。

　　2.單相電壓PWM整流器原理框圖

　　單相電壓型PWM整流器的拓撲結構如圖1所示，它主要由三部分組成：交流回路、功率開關橋路、直流回路。其中交流回路包括交流電動勢UN 、網側電阻RN 及網側電感LN 等；直流回路包括由電感L2和電容C2組成的串聯(lián)諧振電路用來濾除電網的2次諧波分量、濾波電容Cd 及負載 RL等；功率開關橋路由四個反并聯(lián)二極管的IGBT組成。

　　單相PWM逆變器的控制思路是：在保證直流側電壓穩(wěn)定的情況下，使交流側的電流與電壓盡可能的保持同相位，從而使交流側的功率因數(shù)為1.

　　3.單相PWM整流器直接電流控制技術分析

　　直接電流控制根據控制方式的不同，又可分為滯環(huán)電流控制、峰值電流控制、預測電流控制、平均電流控制、狀態(tài)反饋控制單周控制等。

　　3.1 峰值電流控制

　　峰值電流控制的原理是實時比較實際電流和指令電流瞬時值的大小，指令電流值是實際電流的上限，實際電流一旦達到這個上限，立刻轉而向下衰減，電感值的大小，線路的阻抗和脈寬調制的開關頻率影響了這一衰減的終值。其控制原理框圖如下圖2所示。

　　峰值電流的優(yōu)點：①暫態(tài)閉環(huán)響應較快，對輸入電壓的變化和輸出負載的變化的瞬態(tài)響應均快；②控制環(huán)易于設計；③輸入電壓的調整可與電壓模式控制的輸入電壓前饋技術相妣美；④簡單自動的磁通平衡功能；⑤瞬時峰值電流限流功能，即內在固有的逐個脈沖限流功能；⑥自動均流并聯(lián)功能。缺點有：①占空比大于5%時開環(huán)不穩(wěn)定性，峰值電流與平均電流的誤差難以校正；②閉環(huán)響應不如平均電流模式控制理想；③占空比大于0.5時系統(tǒng)產生次諧波振蕩；④對噪聲敏感，抗噪聲性差；⑤電路拓撲受限制；⑥對多路輸出電源的交互調節(jié)性能不好。

　　3.2 滯環(huán)電流控制

　　滯環(huán)電流控制方式作為峰值電流控制方式的改進，只是增加了一條限制電流衰減的下限。其原理仍然是指令電流和實際電流的實時值比較，實際電流達到上限指令電流，隨即轉入衰減，衰減至下限指令電流，重新開始上升，如此反復，實際電流將是一條在上下限指令電流跳動的鋸齒波。

　　其控制原理圖如圖3所示，圖中將指令電流i *和實際電流i進行比較，兩者的偏差△ i 作為滯環(huán)比較器的輸入，通過滯環(huán)比較器產生控制電路主電路中開關通斷的PWM信號，該PWM信號經驅動電路控制功率器件的通斷，從而控制電流i 的變化。

　　滯環(huán)電流控制的優(yōu)點是結構簡單，實現(xiàn)容易，具有很強的魯棒性和快速動態(tài)響應能力。缺點是開關頻率不固定，濾波器設計困難，需要對電感電流全周期的檢測和控制。

　　3.3 平均電流控制

　　平均電流控制的工作原理是將電感電流信號與鋸齒波信號相加，當兩信號之和超過基準電流時，開關管關斷，當其和小于基準電流時，開關管導通。取樣電流來自實際輸入電流而不是開關電流。其控制原理圖如圖4.

　　平均電流控制的優(yōu)點是：①平均電感電流能夠高度地跟蹤電流編程信號；②調試好的電路抗噪聲性能優(yōu)越；③適合于任何電路拓撲對輸入或輸出電流的控制；④易于實現(xiàn)均流。缺點是：①電流放大器在開關頻率處的增益有限制；②雙閉環(huán)放大器帶寬、增益等配合參數(shù)設計調試復雜。

　　3.4 預測電路控制

　　預測電流控制的原理是在每個調節(jié)周期開始時通過對輸入、輸出電壓和輸入電流的采樣，根據實際電流和參考電流的誤差，選擇優(yōu)化的電壓矢量作用于下一個周期，使實際電流在一個周期內跟蹤上參考電流，實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)無誤差。預測電流控制原理框圖如圖5所示，其中Uref為給定電壓，Udc 為直流側反饋電壓。

　　這種控制的優(yōu)點：開關頻率固定，動態(tài)性能良好，電流諧波小，器件開關應力小，數(shù)字實現(xiàn)簡單。缺點：要求較高的采樣頻率和開關頻率，在低的采樣頻率下，會產生周期性的電流誤差。

　　3.5 無差拍控制

　　無差拍控制是一種在電流滯環(huán)比較控制技術基礎之上發(fā)展起來的全數(shù)字化控制技術，利用前一時刻的電流參考值和各種開關狀態(tài)下變流器的電流輸出值，根據空間矢量理論計算出整流器下一時刻應滿足的開關模式，選擇這種開關模式作為下一時刻的開關狀態(tài)，從而達到電流誤差等于零的目標。采用無差拍控制的優(yōu)點數(shù)學推導嚴密、跟蹤無過沖、動態(tài)性能好，易于計算機執(zhí)行，可以消除穩(wěn)態(tài)誤差，并在短的時間內結束過渡過程但它也存在魯棒性較差、瞬態(tài)響應超調量大、計算實時性強因而對硬件要求很高等缺點。隨著數(shù)字信號處理器應用的不斷普及，這是一種很有前途的控制方法。

　　3.6 狀態(tài)反饋控制

　　狀態(tài)反饋控制是針對電流型可逆整流器輸入濾波器容易出現(xiàn)振蕩以消除振蕩的控制方式。其控制原理圖如下圖6.

　　4.結語

　　直接電流控制是單相高功率因數(shù)整流器的主要控制方式，也是我們以后研究的重心。利用各種控制策略的優(yōu)缺點，采用多種控制策略相結合，形成互補關系，達到理想的效果，這也是控制技術發(fā)展的一個方向。新的直接電流控制策略的研究將是另一個方向。隨著數(shù)字信號處理器的普遍應用和人工智能技術的逐漸成熟。數(shù)字控制和智能控制也將是我們研究的目標，這將是直接電流控制技術的發(fā)展的主流。（作者：張榮佳，劉春海，王瑩，侯轉轉）