1.1 课题的研究背景及意义
经济的高速发展，能源消耗速度剧增，低碳节能成为世界各国的共同要求[1]。随着能源互联网概念的提出[2] [3]，大规模的分布式发电，如光伏发电、风力发电系统的接入，大量的整流逆变设备投入使用。PWM 整流器是具有网侧高功率因数，能量可双向流动的电力变换设备，应用于众多场合，但目前所使用的 PWM整流器普遍为硬开关整流器，其在分布式发电系统中的大量使用，将造成大量的能量损耗，与此同时，伴随着大量的热量产生，对开关管具有严重威胁，因此需要额外的降温设备对其进行降温，此举不但成本升高更使设备效率降低。 为了减少降低开关损耗，能量损失，寻求一种低温升高效率的 PWM 整流器的技术改进方法势在必行。一般来说，开关管的温升与四个方面的因素有关，一是电流，二是电压，三是开关器件的电阻，四是开关频率，这四者皆与温升成正相关。在研究中，由于开关器件在设计时即已加以考虑，对其不作讨论，因此，目前学术界主要从其他三方面着手。降低开关频率可相应减少单位时间内的开关动作次数，开关器件温升减小；另一方面即软开关技术，使开关管导通前电压或电流为零，即不产生导通损耗，开关器件温升将大大降低。本文对上述两种方法的研究现状加以阐述并分析其优缺点，最终选择最合适的研究对象。
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1.2 高效率整流器的研究现状
对高效率 PWM 整流器的研究主要从降低开关损耗为切入点，并从以下两方面着手：一是低开关频率整流器，利用合理的拓扑结构和更优化的控制方案，使PWM 整流器在较低的开关频率时有较好的功率因数和电流波形；二是采用软开关技术，一般来说有零电压或者零电流软开关或者两者结合的软开关技术，采用软开关技术的 PWM 整流器可以降低开关损耗，提高效率。大功率牵引和传动系统中，由于功率较大，电流也较大，逆变器的开关频率一般很低，但开关频率太低时，电流波形的表现并不理想。文献[4]提出了多模式调制策略，对空间矢量调制脉冲生成规律进行了归纳总结，介绍了多种满足半波奇对称、四分之一周期偶对称和三相对称要求的 SVPWM 同步调制策略，并分析了不同调制模式之间的切换原则，通过多种调制模式之间的平滑切换，达到了理想的控制效果。文献[5]针对低开关频率时电流谐波大的问题，提出了不对称规则采样与SVPWM相结合的控制策略，提高了PWM整流器的有效输出性能，有效地降低了电流谐波畸变。在文献[6]中，为提高中高压大功率 PWM 整流器的输出能力，需要降低 PWM 整流器的开关频率以降低开关损耗，这将造成整流器id ，iq电流分量耦合严重的问题，为解决这一问题，该文献提出了复矢量电流控制器。文献[7]提出了一种脉宽调制和移相控制相结合的低开关频率逆变器，其采用多组结构相同的阶梯波合成逆变器，然后错相叠加每组逆变器的 PWM 波形，从而使逆变器的输出电压接近于无谐波状态。文献[8]结合满意控制和模型预测控制的优点，提出了一种三电平满意预测复合控制方案，实现了 PWM 整流器的低开关频率运行，并针对三电平拓扑结构的高电压冲击问题，给出了优化开关序列，解决高电压冲击问题的同时，降低了系统损耗，提高了整流器运行效率。上述总结了低开关频率 PWM 整流器的研究现状，可以看出其大部分研究是基于控制或者调制方案的研究，且大部分的低开关频率 PWM 整流器或逆变器适用于中大功率场合。当 PWM 整流器或逆变器的功率不高时，可能无法采用上述低开关频率的控制方案，因此研究在高中低功率情况下均能适用的高效率 PWM整流器非常有必要，软开关 PWM 整流器势必成为研究的重点。
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第二章 软开关 PWM 整流器的工作原理
传统三相 PWM 整流器一般为三相半桥拓扑结构，其具有拓扑结构简单，控制方法成熟的特点，但是由于使用硬开关电路设计，其在大功率场合由于开关损耗将使开关管产生大量的热量，对散热设计以及开关的选择均造成一定困难。本章将采样全新的软开关拓扑结构，由于它只在传统的三相半桥拓扑结构的直流侧加上辅助谐振支路，因此具有结构简单的特点。本章首先将对采用的三相软开关PWM 整流器电路的工作原理进行分析，然后分析其软开关实现条件，并给出了辅助谐振支路以及主电路的参数设计。
2.1 三相普通 PWM 整流器工作原理
三相软开关 PWM 整流器的控制大部分和传统三相 PWM 整流器是相同的，为了更好地理解软开关 PWM 整流器的工作原理，在此之前先介绍传统三相PWM 整流器的工作原理。如图 2.1 所示为传统三相 PWM 整流器的拓扑结构。图中 ea、eb、ec分别为电网 A、B、C 三相的相电压，ia、ib、ic分别为电网 A、B、C 三相的线电流，L为电网侧的滤波电感以滤除谐波也作支撑无功功率的作用，R1为电感的等效电阻，Rs为开关管的等效电阻，C 为直流侧电容以滤除电压纹波稳定直流侧电压，储存电能并向负载提供能量的作用，RL表示负载，其消耗的能量由直流侧电容 C提供，同时电网侧对直流侧电容进行充电。在上一小节中，利用开关函数对三相半桥的传统三相 PWM 整流器描述了其在三相坐标系下的等效数学模型。在三相坐标系下，三相电量均为时变的，在控制系统的设计过程中，通常不希望系统是时变的，否则将增加系统控制器的设计难度。为了使交流侧的三相电量为简单的直流量，可以利用坐标变换的方式对其进行变换，建立在相应坐标系下的数学模型。下面介绍三相静止坐标系变换到两相旋转坐标系的变换方法。
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2.2 软开关 PWM 整流器工作原理
文献[15][16][17]提出的三相软开关 PWM 整流器的拓扑结构如下图 2.4 所示，其基本结构为三相半桥 PWM 整流器的拓扑结构，在此基础上，在直流侧增加了直流谐振环节，直流谐振环节由一个辅助开关管 S7，以及和开关管并联的二极管，一个谐振电感 Lr，一个箝位电容 Cc组成。由于软开关三相 PWM 整流器的拓扑结构是在传统三相半桥 PWM 整流器的拓扑结构的直流侧增加了直流谐振环节，因此其调制策略和传统三相 PWM 整流器有所区别。如图 2.5 所示为三相 PWM 整流器的输入电压和输入电流波形。根据不同时刻电流绝对值最大相的不同，将一个工频周期分为六个区域。 考虑图 2.5 所示不同时刻输入电流绝对值最大相的不同，可以将传统六扇区SVPWM 矢量图中的每个扇区细分为 2 个小扇区，如图 2.6 所示。例如在扇区SECT1 中可以平分为 SECT1-1 和 SECT1-2 两个小扇区，在 SECT1-1 中 A 相电流的绝对值最大。由于细分成 12 扇区之后，零电压矢量的选择可以根据绝对值最大相电流的正负进行选择，因此若绝对值最大相的电流为正，选择电压矢量U7(111)作为零矢量，若绝对值最大相的电流为负，则选择电压矢量 U0(000)作为零矢量。
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第三章 软开关 PWM 整流器的控制策略 .... 31
3.1 锁相环 ........ 31
3.2 调制策略 .... 39
3.2.1 SPWM 调制 .......... 39
3.2.2 SVPWM 调制 ....... 41
3.3 电流环设计 .......... 50
3.4 电压环设计 .......... 55
3.5 本章小结 .... 57
第四章 软开关 PWM 整流器的硬件电路设计 ...... 58
4.1 控制芯片选择和介绍 .... 58
4.2 主电路器件选择 ............ 59
4.3 谐振支路参数器件选择 .......... 60
4.4 采样及保护电路设计 .... 61
4.6 本章小结 .... 65
第五章 仿真与实验.......... 66
5.1 软开关 PWM 整流器仿真建模 ........ 66
5.2 仿真波形分析 ...... 68
5.3 实验平台搭建 ...... 73
5.4 本章小结 .... 78
第五章 仿真与实验
前面的几章对软开关的原理和控制策略以及电路设计都阐述了，为了验证理论分析的正确性，可行性，使用 Matlab/Simulink 进行仿真，在仿真验证了理论可行性之后，再在此基础上搭建实验样机进行实验。
5.1 软开关 PWM 整流器仿真建模
根据前面几章对整流器的建模、分析以及上一节中搭建的仿真模型，本小节对其仿真波形进行分析。为了比较使用 SVPWM 调制的普通 PWM 整流器和软开关 PWM 整流器的区别，在控制基本参数一致的情况下（交流侧线电压、直流侧电压、直流负载、电网侧滤波电感、直流侧储能电容的大小），本文分别对上述两种整流器的直流侧电压电流波形、电网电流波形、电网电流畸变以及驱动和开关管两端电压的波形进行比较分析。 在图 5.6 中，(a)图为电网电压和电流的波形，由于电压和电流数值相差较大，图中电网电压 ea为放大 0.1 倍后的波形，从图中可以看出，电压和电流同相位，实现了单位功率因数
