与传统TNPC等拓扑不同维也纳整流器为不具备双向能量传输能力。该拓扑与TNPC拓扑还是有一定的相似性的。VIENNA拓扑取消了TNPC的全桥上下功率管每相仅保留了中点钳位有源支路从而VIENNA拓扑从根源上消除了直流母线短路的风险而且该拓扑的 功率器件少主电路与控制系统架构简洁输入电流谐波畸变率低整机运行损耗更低综合性能优势突出。6.1 电平状态VIENNA整流器的拓扑如上图左所示上图右是其等效电路图。VIENNA整流器的每一相功率开关管可以等效于一个三态开关选择器它共有三种开关方向。A相的功率开关管等效模型如下图所示。定义开关函数它有如下物理意义当x相的功率开关管导通将该相的桥臂输出端连接到直流侧电容中性点此时不论该相的电流为大于0或小于0该相开关函数都等于0。当该相的功率开关管关断此时该相电流大于0则意味着该相的输出端连接到了直流侧上电流“”极此时该相开关函数等于1。而当该相的功率开关管关断此时该相电流小于0则意味着该相的输出端连接到了直流侧下电容“-”极此时该相开关函数等于-1。6.2 交越失真以TNPC为例为了防止同一桥臂的上下开关管直通短路上下互补管切换时必须插入“死区时间”。而在死区时间内电流只能通过二极管续流从而导致实际输出电压与目标电压产生偏差这就是传统意义上的死区交越失真。尤其是在电压过零点附近调制占空比本身极小死区带来的电压误差占比显著提升死区效应被进一步放大最终引发输出波形严重畸变。由于维也纳整流器无需死区时间这在很大程度上规避了由死区引发的严重交越失真其整体波形质量有着天然的优势。维也纳整流器的失真不是来自“死区”而是来自拓扑本身的换流机制。在交流电流过零点时电流极性发生反转。由于维也纳拓扑中的钳位二极管和开关管的单向导电特性当参考电压极性与实际电流极性不一致时会出现控制逻辑与实际电流路径的短暂脱节。这种脱节会导致电流波形在过零点附近出现明显的畸变。但毕竟该失配持续时长远小于死区时间因此整体波形失真程度会更低。6.3 中点电压控制维也纳整流器的中点电压平衡控制方案与TNPC类似但是由于其特殊的单向拓扑架构其控制策略要比TNPC更加复杂。TNPC拓扑在调制波生成与中点平衡控制相对独立无论负载是吸收还是回馈能量控制器都可以通过调节正/负小矢量的作用时间比例主动对中点电位进行充放电调节。而VIENNA拓扑是单向功率流动其开关状态受限于输入电流的极性为了维持单位功率因数和高电能质量可调节中点电位的冗余小矢量时间严重不足。一旦小矢量的调节裕度耗尽中点电位就会失控。因此总体而言TNPC的中点平衡控制属于“全自由度的优化问题”算法有充足的调节手段而维也纳整流器的中点平衡控制则是“在受限条件下的妥协问题”。维也纳整流器必须在保证升压、单位功率因数、低THD以及中点平衡这四个目标之间平衡其控制算法的设计难度与调试难度远高于TNPC。
