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。