現代電力電子技術第6章（3）高頻PWM整流器2020/10/281

第6章（3）高頻PWM整流器1、含有源功率因數校正的單相整流器1、1諧波電流的危害及改善措施（1）單相整流器是應用極為廣泛的一種電力電子變換器。

其電路有兩點：◆單相不控制整流電路◆單相可控制整流電路圖5-302020/10/282精品資料3

其主要缺點：◆輸入交流電流is波形嚴重畸變，呈脈沖狀

。（2）諧波電流對電網有嚴重的危害作用：◆諧波電流流過線路阻抗造成諧波電壓降，使電網電壓發生畸變。

◆諧波電流使線路和配電變壓器發熱，損壞電器設備。

◆諧波電流會引起電網LC諧振。

◆相控整流諧波電流使交流輸入端功率因數下降，功耗加大，效率降低。2020/10/284

（3）改善措施：①附加無源濾波器◆在整流器和電容之間串入一個濾波電感，減小電流脈沖成份。

◆在交流側并聯接入諧振濾波器，使ic的諧波電流經LC諧波器濾掉而不進入交流電源。

◆無源LC濾波器優點：

簡單

成本低

可靠性高

電磁干擾EMI小

2020/10/285

缺點：

體積、重量大

難以得到高功率因數

工作性能與頻率，負載變化及輸入電壓變化有關

電感與電容間有較大的充放電電流，并可能引發電路L、C諧振。②附加有源功率因數校正器或采用高頻PWM整流◆在整流器和電容之間接入一個DC-DC開關變換器，應用電流反饋技術，使輸入端電流is波形跟蹤交流輸入正弦電壓波形，可以使is接近正弦并與vs同相。使輸入端總諧波畸變率THD小于5%，功率因數可提高到0.99或更高。2020/10/286

優點：

體積小、重量小；

輸出電壓也可以保持恒定，或調控為指令值。

缺點：

電能只能從交流電源流向直流側負載

應用：

AC-DC開關電源，交流不間斷電源（UPS），熒光電子鎮流器及其他電子儀器中。2020/10/287

1、2含Boost型功率因數校正器的高頻整流器（1）結構原理：圖5-31（a)電路①主電路：由單相橋式不控整流器和DC-DCBoost變換器組成。②控制電路：由電壓誤差放大器VA，電流誤差放大器CA，乘法器和驅動器組成。2020/10/288

圖5-31（a)電路（2）APFC的工作原理◆外環電壓閉環控制：自動保持輸出電壓V0恒定為指令值

◆內環電流閉環控制：自動調節電流ic=is跟蹤指值ir

2020/10/289

ir=K.vdc=Kvs

K為電壓放大器的輸出量其波形與交流電壓vs相同即指令電流值ir是與交流電源vs同相位的正弦波

所以輸入電流is(iL)的波形與交流電源電壓vs的波形同相，輸入端功率因素接近于1。2020/10/2810

◆波形分析：輸入電流被高頻PWM調制，使脈沖波形調制成接近正弦波。

圖5-31(b)輸入iL、iS波形和輸入電壓vdc、vs波形2020/10/2811

（3）APFC的主要優點：◆輸入電流連續，電磁干擾EMI小，無線電頻率干擾RFI低；

◆有輸入電感L，可減少對輸入濾波器的要求，并可防止電網對主電路高頻瞬態沖擊。

◆開關器件T的電壓不超過輸出電壓值；

◆容易驅動開關器件，其參數端點的電位為OV2020/10/2812

缺點：◆輸入輸出間無絕緣。1、3帶反饋式功率因數校正器的高頻整流器

（1）原理結構：圖5-322020/10/2813

◆反激電路中的變壓器起著儲能元件的作用

控制電路：

電壓閉環控制，電壓調節器VA為PI，輸出值為

△V。

PWM形成電路根據△V的大小產生脈變寬驅動信號。2020/10/2814

（2）工作原理：

當開關管T導通，i1由零上升到ip,電感儲能，變壓器二次側二極管阻斷，i0=0

當開關管T截止，i1=0，D導通，i2=i0向電容充電，并向負載供電，i2線性下降至零，電感L2釋放磁能。

T的驅動由PWM形成電路產生。輸出電壓由VA構成電壓閉環控制自動維持恒定。2020/10/2815

◆電流峰值ip的大小與開關導通時間ton和直流電壓瞬時值vdc=vs的乘積成正比。∴is與vs瞬時值成正比。由脈動頻率很高，峰值ip及其平均值都正比于該瞬間的正弦電壓瞬值，經較小的L.C濾波后則is變為與電源電壓vs同相的正弦電流is

2020/10/2816

結論：前述單相PWM整流器：

有功率因數校正

無能量回饋工作2、三相高頻PWM整流2、1能量可回饋的高頻PWM整流電路（1）能量可回饋PWM整器電路的特點

◆整流器采用全控型半導體開關器件

◆可控輸入電流為正弦，且與輸入電壓同相位，功率因數近似為1（也可以為任意值）

◆可實現交直流側的雙向能量流動。

2020/10/2817

（2）PWM整流器拓樸結構◆單相半橋電壓型PWM整流器

◆單相全橋電壓型PWM整流器升壓型

圖：5-33圖：5-342020/10/2818

◆三相電壓型PWM整流器◆三相電流型PWM整流器（降壓型）

圖5-35圖5-362020/10/2819

①由于輸出電感的存在，沒有橋臂直通過流和輸出缺路的問題。

◆電流型整流器通常要經過LC濾波器再和電網聯接，

◆直流側的平波電感和交流側LC濾波器的重量、體積都比較大。2020/10/2820

②電流型PWM整流器應用不廣泛的原因

電流型整流器輸出電感的體積、重量和損耗比較大

常用的現代全控器件IGBT，P-MOSFET都是有反并聯二極管反向自然導通的開關器件，為防止電流反方向流動而必須再串聯一個二極管，因此，主電路構成不方便，且通態損耗大。

2020/10/2821

2、2交流直流雙向變換器工作原理（1）三相大功率相控整流器主要缺點；①對公用交流電網產生大量諧波電流并在電網中引起諧波電壓②深控狀態（α角大VD低）時，整流裝置的功率因數隨α的減小急劇減小2020/10/2822

（2）理想的交流直流雙向變換器特點①輸出直流電壓平穩且可以迅速地調節控制。②輸入的交流電源電流波形正弦化。③輸入的交流電流的功率因數可控制為任意指令值。④交流-直流之間的功率流向可以是雙向可控的，即可實現整流，也可實現逆變。⑤變換器無損耗。2020/10/2823

（3）工作原理

圖5-37（a)

2020/10/2824

式中：Vs為交流電源相電壓有效值Is是交流電源流入雙向變換器的電流有效值

2020/10/2825

變換器交流輸入端交流相電壓為則理想的三相橋變換器交流側相電壓應是：

2020/10/2826

則電壓、電流矢量關系為：

PWM整流電路的運行方式相量圖

（圖5-37（b))（圖5-37（C))2020/10/2827

①◆由此可知d·Us·UL·UR·UAB·Is············2020/10/2828

②③④d·Us·UR·UAB·IsULd·UsUR·UAB·Is·ULjd·Us·UR·UAB·Is·UL2020/10/2829

◆2020/10/2830

2020/10/2831

定義：2020/10/2832

∴結論：

2020/10/2833

2、3三相電壓型高頻PWM整流控制系統圖5-38（a)電路

圖5-38（d)控制系統原理圖2020/10/2834

1、工作原理分析◆設三相電壓型變換器T1-T6SPWM控制的調制參考波頻率fr等于交流電源vsa、vsb、vsb的頻率fs，則via、vib、vic中的基波頻率f1就是交流電源頻率fs。而諧波頻率由高頻載波頻率fc決定。

圖5-38基波等值電路見（b)諧波等值電路（c)2020/10/2835

◆故只要對

T1-T6進行SPWM控制，控制變壓器交流側各相SPWM脈波電壓via、vib、vic，即控制矢量2020/10/2836

2、控制過程分析：①整流電壓VD的控制:引入電壓V0的負反饋，形成電壓反饋閉環控制，自動調節輸出直流電壓V0為要求值，電壓調節器采用PI。②電壓調節器的輸出作為有功電流指令值根據要求的功率因數φ，計算可得：

2020/10/2837

③令相位角為δ的電壓Vi為三相SPWM調制正弦參考電壓產生6個開關器件的通斷信號，輸出所需的交流電壓2020/10/2838

④

2020/10/2839

圖5-30AC/DC整流電路2020/10/2840

圖5-31（a)電路2020/10/2841

圖5-31(b)輸入iL、is波形和輸入電壓vdc、vs波形2020/10/2842

圖5-32帶反激式功率校正器環節的高頻整流器2020/10/2843

圖5-33單相半波整流器2020/10/2844

圖5-34單相全橋整流器2020/10/2845

圖5-3