关键词：数字信号处理器；三电平；pwm整流器；功率因数校正
引言
三电平（threelevel，tl）整流器是一种可用于高压大功率的pwm整流器，具有功率因数接近1，且开关电压应力比两电平减小一半的优点。文献[1]及[2]提到一种三电平boost电路，用于对整流桥进行功率因数校正，但由于二极管整流电路的不可逆性，无法实现功率流的双向流动。文献[3]，[4]及[5]提到了几种三电平pwm整流器，尽管实现了三电平，但开关管上电压应力减少一半的优点没有实现。三电平整流器尽管比两电平整流器开关数量多，控制复杂，但其具有两电平整流器所不具备的特点：
1）电平数的增加使之具有更小的直流侧电压脉动和更佳的动态性能，在开关频率很低时，如300～500hz就能满足对电流谐波的要求;
2）电平数的增加也使电源侧电流比两电平中的电流更接近正弦，且随着电平数的增加，正弦性越好，功率因数更高;
3）开关的增加也有利于降低开关管上的电压压应力，提高装置工作的稳定性，适用于对电压要求较高的场合。
1、tl整流器工作原理
tl整流器主电路如图1所示，由8个开关管v11～v42组成三电平桥式电路。假定u1=u2=ud/2，则每只开关管将承担直流侧电压的一半。
图1tl整流器主电路
以左半桥臂为例，1态时，当电流is为正值时，电流从a点流经vd11及vd12到输出端;当is为负值时，电流从a点流经v11及v12到输出端，因此，无论is为何值，均有uag=ucg=+ud/2，d1防止了电容c1被v11（vd11）短接。同理，在0态时，有uag=0;在-1态时，有uag=udg=-ud/2，d2防止了电容c2被v22（vd22）短接。
右半桥臂原理类似，因此a及b端电压波形如图2所示，从而在交流侧电压uab上产生五个电平：+ud，+ud/2，0，-ud/2，-ud。
图2tl整流器波形
每个半桥均有三种工作状态，整个tl桥共有32=9个状态。分别如下：
状态0（1,1）开关管v11，v12，v31，v32开通，变换器交流侧电压uab等于0，电容通过直流侧负载放电，线路电流is的大小随主电路电压us的变化而增加或减小。
状态1（1,0）开关管v11，v12，v32，v41开通，交流侧输入电压uab等于ud/2，输入端电感电压等于us-u1。电容c1电压被正向（或反向）电流充电（u1
状态2（1,-1）开关管v11，v12，v41，v42开通，输入电压uab=ud，正向（或反向）电流对电容c1及c2充电（或放电），由于输入电感电压反向，电流is逐渐减小。
状态3（0,1）开关管v12，v21，v31，v32开通，交流侧输入电压uab等于-ud/2，输入电感上电压等于us+u1。电容电压被正向（或反向）电流充电（或放电）。
状态4（0,0）开关管v12，v21，v32，v41开通，输入端电压为0，电容通过直流侧负载放电，线路电流is的大小随主电路电压us的变化而增加或减小。
状态5（0,-1）开关管v12，v21，v41，v42开通，交流侧电压为ud/2，正向（或反向）电流对电容c2充电（或放电），电容c1通过负载电流放电。
状态6（-1,1）开关管v21，v22，v31，v32开通，uab=-ud，正向（或反向）线电流对两个电容c1及c2充电（或放电），由于升压电感电压正向，线电流将逐渐增加。
状态7（-1,0）开关管v21，v22，v32，v41开通，交流侧电压电平为-ud/2，正向（或反向）电流对电容c2充电（或放电），电容c1通过负载电流放电。
状态8（-1,-1）开关管v21，v22，v41，v42开通，输入端电压为0，升压电感电压等于us，两个电容c1及c2均通过负载电流放电。电流is根据电压us的变化而增加（或减小）。
2、硬件电路设计
从图2可以看出，在输入电压频率恒定的情况下，要在变换器交流侧产生一个三电平电压波形，输入电压一个周期内应定义两个操作范围：区域1和区域2，如图3所示。
图3工作区域
在区域1，电压大于-ud/2，并且小于ud/2，在电压uab上产生三个电平：-ud/2，0，ud/2。同理，在区域2，电压值大于ud/2，并小于直流侧电压ud，在电压正半周期（或负半周期）上产生两个电平：ud/2和ud（或-ud/2和-ud）。相应电平的工作区域如表1所列。
表1相应电平的工作区域工作区域1212
us>0us<0us>0us<0
高电平ud/20ud-ud/2
低电平0-ud/2ud/2-ud
为方便控制，这里定义两个控制变量sa及sb，其中
sa=
（1）
sb=
（2）
根据表1可以设计一个开关查询表，如表2所列，将其存储在dsp中，当进行实时控制时，便可根据输入电压、电流信号，从表中查询所需采取的开关策略。
表2查询表sasbv11v12v21v22v31v32v41v42uab
11110011000
1011000110ud/2
1-111000011ud
-ud/2
00011001100
0-101100011ud/2
-1100111100-ud
-1000110110-ud/2
-1-1001100110
整个控制系统以一片dsp为核心，控制框图如图4所示。
图4控制框图
锁相环电路产生一个与电源电压同相位的单位正弦波形，ud的采样信号通过低速电压外环调节器进行调节，电流is的采样信号通过高速电流内环g1进行调节，电容c1端直流电压u1与电容c2端直流电压u2分别通过两个pi调节器进行调节，补偿环g2用于补偿两只电容电压的不平衡。
检测的线电流命令is与参考电流is*比较，产生的电流误差信号送至电流内环g1，以跟踪电源电流变化，产生的线电流波形将与主电压同相位。
3、软件设计
系统采用两个通用定时器gpt1及gpt2来产生周期性的cpu中断，其中gpt1用于pwm信号产生、adc采样和高频电流环控制（20khz），gpt2用于低频电压环的控制（10khz），两者均采用连续升/降计数模式。低速电压环的采样时间为100μs，高速电流环采样时间为50μs。中断屏蔽寄存器imr，evimra和evimrb使gpt1在下降沿和特定周期产生中断，gpt2则仅在下降沿产生中断。
整个程序分为主程序模块、初始化模块、电流控制环计算模块、电压控制环计算模块、pwm信号产生模块等五大部份。程序流程如图5所示。
图5主程序流程
4、仿真结果及实验
仿真参数如下：输入电压us交流220v，50hz，
输出功率1kw，开关管gto，开关频率500hz。整流状态和逆变状态下电源电压us、电源电流is、交流侧电压uab波形分别如图6及图7所示。
图6整流状态波形
图7逆变状态波形
实验结果也证实了设计的正确性，在采用gto管、开关频率较低（500hz）时，输入侧电流波形仍然非常接近正弦，装置得到了接近1的功率因数，同时开关上的电压应力减少了一半。
5、结语
采用全数字控制的三电平pwm整流器将控制系统外围电路减至zui少，在较低成本下可以获得很高的性能。基于dsp的三电平整流器比传统功率因数校正电路动态性能更好，在较低的开关频率下就可以获得比较好的正弦化电流波形，并可用于gto等开关器件。如用于高压、大功率三相电路、vvvf电源、电机控制等领域，该方案优越性更明显。