1、高频PWM整流器ppt 第第6 6章（章（3 3）高频高频PWMPWM整流器整流器1 1、含有源功率因数校正的单相整流器、含有源功率因数校正的单相整流器1 1、1 1 谐波电流的危害及改善措施谐波电流的危害及改善措施（1 1）单相整流器是应用极为广泛的一种电力电子）单相整流器是应用极为广泛的一种电力电子 变换器。变换器。其电路有两点：其电路有两点：单相不控制整流电路单相不控制整流电路单相可控制整流电路单相可控制整流电路图图5-305-30+-svsi+DVsisvtsiOsv其主要缺点：其主要缺点：输入交流电流输入交流电流i is s波形严重畸变，呈脉冲状波形严重畸变，呈脉冲状 。（2 2）谐
2、波电流对电网有严重的危害作用：谐波电流对电网有严重的危害作用：谐波电流流过线路阻抗造成谐波电压降，使电谐波电流流过线路阻抗造成谐波电压降，使电网电压发生畸变。网电压发生畸变。谐波电流使线路和配电变压器发热，损坏电器谐波电流使线路和配电变压器发热，损坏电器设备。设备。谐波电流会引起电网谐波电流会引起电网LCLC谐振。谐振。相控整流谐波电流使交流输入端功率因数下降，相控整流谐波电流使交流输入端功率因数下降，功耗加大，效率降低。功耗加大，效率降低。（3）改善措施：）改善措施：附加无源滤波器附加无源滤波器在整流器和电容之间串入一个滤波电感，减小在整流器和电容之间串入一个滤波电感，减小电流脉冲成份。电流
3、脉冲成份。在交流侧并联接入谐振滤波器，使在交流侧并联接入谐振滤波器，使i ic c的谐波电流的谐波电流经经LCLC谐波器滤掉而不进入交流电源。谐波器滤掉而不进入交流电源。无源无源LCLC滤波器优点：滤波器优点：简单简单 成本低成本低 可靠性高可靠性高 电磁干扰电磁干扰EMIEMI小小 缺点：缺点：体积、重量大体积、重量大 难以得到高功率因数难以得到高功率因数 工作性能与频率，负载变化及输入电压变化有工作性能与频率，负载变化及输入电压变化有关关电感与电容间有较大的充放电电流，并可能引电感与电容间有较大的充放电电流，并可能引发电路发电路L L、C C谐振。谐振。附加有源功率因数校正器或采用高频附加
4、有源功率因数校正器或采用高频PWMPWM整流整流在整流器和电容之间接入一个在整流器和电容之间接入一个DC-DCDC-DC开关变换器，开关变换器，应用电流反馈技术，使输入端电流应用电流反馈技术，使输入端电流i is s波形跟踪交波形跟踪交流输入正弦电压波形，可以使流输入正弦电压波形，可以使i is s接近正弦并与接近正弦并与v vs s同相。使输入端总谐波畸变率同相。使输入端总谐波畸变率THDTHD小于小于5%5%，功率，功率因数可提高到因数可提高到0.990.99或更高。或更高。优点：优点：体积小、重量小；体积小、重量小；输出电压也可以保持恒定，或调控为指令值。输出电压也可以保持恒定，或调控为
5、指令值。缺点：缺点：电能只能从交流电源流向直流侧负载电能只能从交流电源流向直流侧负载 应用：应用：AC-DCAC-DC开关电源，交流不间断电源（开关电源，交流不间断电源（UPSUPS），荧），荧光电子镇流器及其他电子仪器中。光电子镇流器及其他电子仪器中。1、2 含含Boost型功率因数校正器的高频整流器型功率因数校正器的高频整流器（1）结构原理：）结构原理：图图5-31（a)电路电路主电路：由单相桥式不控整流器和主电路：由单相桥式不控整流器和DC-DCDC-DCBoost变换器组成。变换器组成。控制电路：由电压误差放大器控制电路：由电压误差放大器VAVA，电流误差放，电流误差放大器大器CACA
6、，乘法器和驱动器组成。，乘法器和驱动器组成。驱动器乘法器-+-+LiDdcvsisvLiLLiTiT+_OVOiOV*OVVACAdcrvKiK+_ 图图5-31（a)电路电路（2 2）APFCAPFC的工作原理的工作原理外环电压闭环控制：自动保持输出电压外环电压闭环控制：自动保持输出电压V V0 0恒定为恒定为指令值指令值 内环电流闭环控制：自动调节电流内环电流闭环控制：自动调节电流i ic c=i=is s 跟踪跟踪 指值指值i ir r 驱动器乘法器-+-+LiDdcvsisvLiLLiTiT+_OVOiOV*OVVACAdcrvKiK+_ i ir r=K=K.v vdcdc=K v=
7、K vs s K K为电压放大器的输出量为电压放大器的输出量其波形与交流电压其波形与交流电压 v vs s 相同相同即指令电流值即指令电流值i ir r是与交流电源是与交流电源v vs s 同相位的正弦波同相位的正弦波所以输入电流所以输入电流i is s(i(iL L)的波形与交流电源电压的波形与交流电源电压v vs s的的波形同相，输入端功率因素接近于波形同相，输入端功率因素接近于1 1。00000VVKVVKVK 0减小时增加 当V保持不变 波形分析：波形分析：输入电流被高频输入电流被高频PWMPWM调制，使脉冲波形调制成接调制，使脉冲波形调制成接近正弦波。近正弦波。图图5-31(b)输入
8、输入iL、iS波形和输入电压波形和输入电压vdc、vs波形波形000sLTsLTiiiTiii0T当 导通时 i当 截止时 isdcvvsdcvvLiLisvLsii TiOisLOiiisLTiiisvsisisvt（3 3）APFCAPFC的主要优点：的主要优点：输入电流连续，电磁干扰输入电流连续，电磁干扰EMIEMI小，无线电频率干小，无线电频率干扰扰RFIRFI低；低；有输入电感有输入电感L L，可减少对输入滤波器的要求，并，可减少对输入滤波器的要求，并可防止电网对主电路高频瞬态冲击。可防止电网对主电路高频瞬态冲击。开关器件开关器件T T的电压不超过输出电压值；的电压不超过输出电压值；
9、容易驱动开关器件，其参数端点的电位为容易驱动开关器件，其参数端点的电位为OVOV 缺点：缺点：输入输出间无绝缘。输入输出间无绝缘。1 1、3 3 带反馈式功率因数校正器的高频整流器带反馈式功率因数校正器的高频整流器 （1 1）原理结构：原理结构：图图5-325-32PWM形成-+dcvsidcv1i+-+1L*+-2LDOiOVCOV*OVVVADVdcT+-2iOisi1ipis=i1平均值ipi1平均值is=|i1|平均值D.Ts 反激电路中的变压器起着储能元件的作用反激电路中的变压器起着储能元件的作用 控制电路：控制电路：电压闭环控制，电压调节器电压闭环控制，电压调节器VAVA为为PIP
10、I，输出值为，输出值为 V V 。PWMPWM形成电路根据形成电路根据V V 的大小产生脉变宽驱动信的大小产生脉变宽驱动信号。号。（2 2）工作原理：工作原理：当开关管当开关管T T导通，导通，i i1 1由零上升到由零上升到i ip p,电感储能，电感储能，变压器二次侧二极管阻断，变压器二次侧二极管阻断，i i0 0=0=0 当开关管当开关管T T截止，截止，i i1 1=0=0，D D导通，导通，i i2 2=i=i0 0向电容向电容充电，并向负载供电，充电，并向负载供电，i i2 2线性下降至零，电感线性下降至零，电感 L L2 2释放磁能。释放磁能。T T的驱动由的驱动由PWMPWM形
11、成电路产生。输出电压由形成电路产生。输出电压由VAVA构构成电压闭环控制自动维持恒定。成电压闭环控制自动维持恒定。电流峰值电流峰值i ip p的大小与开关导通时间的大小与开关导通时间t tonon和直流电和直流电压瞬时值压瞬时值v vdcdc=v=vs s 的乘积成正比。的乘积成正比。i is s与与 v vs s 瞬时值成正比。瞬时值成正比。由脉动频率很高，峰值由脉动频率很高，峰值i ip p及其平均值都正比于该及其平均值都正比于该瞬间的正弦电压瞬值，经较小的瞬间的正弦电压瞬值，经较小的L.CL.C滤波后则滤波后则i is s变为与电源电压变为与电源电压v vs s 同相的正弦电流同相的正弦
12、电流i is s 110dcdconsvvpnsLLtTitDTD式中为占空比 结论：结论：前述单相前述单相PWM整流器：整流器：有功率因数校正有功率因数校正 无能量回馈工作无能量回馈工作2 2、三相高频、三相高频PWMPWM整流整流2 2、1 1能量可回馈的高频能量可回馈的高频PWMPWM整流电路整流电路（1 1）能量可回馈）能量可回馈PWMPWM整器电路的特点整器电路的特点 整流器采用全控型半导体开关器件整流器采用全控型半导体开关器件 可控输入电流为正弦，且与输入电压同相位，功率因可控输入电流为正弦，且与输入电压同相位，功率因数近似为数近似为1 1（也可以为任意值）（也可以为任意值）可实现
13、交直流侧的双向能量流动。可实现交直流侧的双向能量流动。（2 2）PWMPWM整流器拓朴结构整流器拓朴结构单相半桥电压型单相半桥电压型PWMPWM整流器整流器 单相全桥电压型单相全桥电压型PWMPWM整流器整流器 升压型升压型 图：图：5-33 5-33 图：图：5-345-34vdcvdcLvsvidciiLvdcdciiLLvsiv is与 vs 瞬时值成正比。图5-35三相电压型PWM整流器故只要对 T1-T6进行SPWM控制，控制变压器交流侧各相SPWM脉波电压via、vib、vic，即控制矢量图5-35三相电压型PWM整流器输出直流电压平稳且可以迅速地调节控制。令相位角为 的电压Vi为
14、三相SPWM调制正弦参考电压产生6个开关器件的通断信号，输出所需的交流电压电流峰值ip的大小与开关导通时间ton和直流电压瞬时值vdc=vs 的乘积成正比。变换器交流输入端交流相电压为图5-35 图5-362、1能量可回馈的高频PWM整流电路图5-30AC/DC整流电路 三相电压型三相电压型PWMPWM整流器整流器三相电流型三相电流型PWMPWM整流器（降压型）整流器（降压型）图图5-35 5-35 图图5-365-36OvsavsbvscLLLiaibicvivdciLidcOvsavsbvscLLLiaibicLdIDECCC 由于输出电感的存在，没有桥臂直通过流和输由于输出电感的存在，没
15、有桥臂直通过流和输出缺路的问题。出缺路的问题。电流型整流器通常要经过电流型整流器通常要经过LCLC滤波器再和电网联滤波器再和电网联接，接，直流侧的平波电感和交流侧直流侧的平波电感和交流侧LCLC滤波器的重量、滤波器的重量、体积都比较大。体积都比较大。电流型电流型PWMPWM整流器应用不广泛的原因整流器应用不广泛的原因电流型整流器输出电感的体积、重量和损耗比电流型整流器输出电感的体积、重量和损耗比较大较大常用的现代全控器件常用的现代全控器件IGBTIGBT，P-MOSFETP-MOSFET都是有反都是有反并联二极管反向自然导通的开关器件，为防止电并联二极管反向自然导通的开关器件，为防止电流反方向
16、流动而必须再串联一个二极管，因此，流反方向流动而必须再串联一个二极管，因此，主电路构成不方便，且通态损耗大。主电路构成不方便，且通态损耗大。2 2、2 2 交流交流 直流双向变换器工作原理直流双向变换器工作原理（1 1）三相大功率相控整流器主要缺点；）三相大功率相控整流器主要缺点；对公用交流电网产生大量谐波电流并在电网中对公用交流电网产生大量谐波电流并在电网中引起谐波电压引起谐波电压深控状态（深控状态（角大角大 V VD D低）时，整流装置的功率低）时，整流装置的功率因数随因数随的减小急剧减小的减小急剧减小（2 2）理想的交流）理想的交流 直流双向变换器特点直流双向变换器特点输出直流电压平稳且
17、可以迅速地调节控制。输出直流电压平稳且可以迅速地调节控制。输入的交流电源电流波形正弦化。输入的交流电源电流波形正弦化。输入的交流电流的功率因数可控制为任意指令输入的交流电流的功率因数可控制为任意指令值。值。交流交流-直流之间的功率流向可以是双向可控的，直流之间的功率流向可以是双向可控的，即可实现整流，也可实现逆变。即可实现整流，也可实现逆变。变换器无损耗。变换器无损耗。（3 3）工作原理）工作原理 图图5-375-37（a)a)sasbscbcvUviia为交流电源电压电流为ivsavsbvsc直流负载或电源RABCT1T2T3T5T6T4D1D2D3D4D5D6CIOVOLiaibic 式中
18、：式中：V Vs s为交流电源相电压有效值为交流电源相电压有效值 I Is s是交流电源流入双向变换器的电流有效值是交流电源流入双向变换器的电流有效值 ()2 sin(120)csi tIt ssiV是 滞后 的功率因数角()2sin()2sin()()2sin(120)()2sin(120)()2sin(120)saSassbSbsscsvtVti tItvtVti tItvtVt 变换器交流输入端交流相电压为变换器交流输入端交流相电压为则理想的三相桥变换器交流侧相电压应是：则理想的三相桥变换器交流侧相电压应是：2sin()()2sin(120)()2sin(120)iaiibiiciisv
19、tVtvtVtvtVtVV是 落后于 的相位落后角()()()iaibicvtvtvt 则电压、电流矢量关系为：则电压、电流矢量关系为：PWM整流电路的运行方式相量图整流电路的运行方式相量图 （图（图5-375-37（b)b)sissVVRIjI XssisIjXIRVVdIqIsIidVKdIRiqViVsIRNqIRsIXjqIXjFHd轴dIXjOq轴Eq轴sisIjXVVd轴idVFdIsIqIiVEsVdIXjqIXjsIXj（图（图5-375-37（C)C),issVVsi当交流电源电压V一定时,控制V的大小和相对于 的相位角即控制I的幅值和相位isssVVIV滞后 的相角与 完全
20、同相位,变换器工作在整流状态功率因数为1 由此可知由此可知UsULURUABIs iSssVVIV超前相角与 的相位正好相反变换器工作在逆变状态90isssVVIV滞后 的相位超前变换器向交流电源送出无功功率iVsS控制 的相位和幅值可使i比V 超前或滞后任一角度可控制功率因数为任意正或负的指令值UsURUABIsULUsURUABIsULUsURUABIsUL cossinsidisqdiqidqVdqVVVxIRIVVxIRI将分解 轴分量和 轴分量则cosidisqRVVVxI若忽略电阻 cossinsinSidsiVVVVqsXXiqidIIVVXI无功电流siniqiVVdXXI有功
21、电流 定义：定义：sSVs复数功率 为电压矢量与电流共轭矢量I的乘积33()33()sssdqsdsqsdqsdSPjQV IV IjIV Ij V IIIjIIIjI 结论：结论：3sincos33cos333sin3iqs isisdssVV VsXXsqssVVsXPV IV IVQV IV IV,iisdqVVVII控制 的大小和 相对于 的相位角即可控制的大小和正负值,控制P的大小和方向实现ACDC双向功率变换.2 2、3 3三相电压型高频三相电压型高频PWMPWM整流控制系统整流控制系统图图5-385-38（a)a)电路电路 图图5-385-38（d)d)控制系统原理图控制系统原理
22、图vsavsbvscABCabcaibici1T3T5T2T4T6TiavibvicvCoIoVLLLOtan电流控制器（5-203）式（5-205）式SPWM开关信号生成 双 向 变 流 器*oVV*di*di*qisv22iqidsvvv)/arctan(idiqvvOVOI 1 1、工作原理分析、工作原理分析设三相电压型变换器设三相电压型变换器T T1 1-T T6 6SPWMSPWM控制的调制参考控制的调制参考波频率波频率f fr r等于交流电源等于交流电源v vsa、v vsb、v vsb的频率的频率f fs s，则则v via、v vib、v vic中的基波频率中的基波频率f f1
23、 1就是交流电源频率就是交流电源频率 f fs s。而谐波频率由高频载波频率而谐波频率由高频载波频率f fc c决定。决定。图图5-385-38基波等值电路见（基波等值电路见（b)b)谐波等值电路（谐波等值电路（c)c)sIjwLsInhIjnwL+-+-ihVhIsViV 故只要对故只要对 T T1 1-T T6 6进行进行SPWMSPWM控制，控制变压器交控制，控制变压器交流侧各相流侧各相SPWMSPWM脉波电压脉波电压v via、v vib、v vic，即控制矢，即控制矢量量issVVi0V的大小及 相对于交流电源电压 的相角差就能控制基波电流I的大小和相位,实现有功功率和无功功率在交流
24、电源和直流侧电压V 之间的双向流动 2、控制过程分析：、控制过程分析：整流电压整流电压V VD D的控制的控制:引入电压引入电压V V0 0的负反馈，形成电压反馈闭环控制，的负反馈，形成电压反馈闭环控制，自动调节输出直流电压自动调节输出直流电压V V0 0为要求值，电压调节为要求值，电压调节 器采用器采用PIPI。电压调节器的输出作为有功电流指令值电压调节器的输出作为有功电流指令值 根据要求的功率因数根据要求的功率因数，计算可得：，计算可得：dIqiqiIVViq无功电流指令值,双向变换器交流侧基波电压指令值V 令相位角为令相位角为 的电压的电压V Vi i为三相为三相SPWMSPWM调制正弦
25、调制正弦参考电压产生参考电压产生6 6个开关器件的通断信号，输出个开关器件的通断信号，输出所需的交流电压所需的交流电压22ta na rc ta niqidqdiidiqVVIIVVViV 00,0isVVVVV00d0s当整流负载I 改变时,或直流电压指令值V 改变则时,使有功电流指令值I 改变改变,从而调节交流电源送入变换器的有功电流,有功功率.自动维持直流输出电压V 恒定不变同时使I的相位角 保持为指令值+-svsi+DVsisvtsiOsv图图5-30AC/DC整流电路整流电路 驱动器乘法器-+-+LiDdcvsisvLiLLiTiT+_OVOiOV*OVVACAdcrvKiK+_ 图
26、图5-31（a)电路电路 sdcvvsdcvvLiLisvLsii TiOisLOiiisLTiiisvsisisvt 图图5-31(b)输入输入iL、is波形和输入电压波形和输入电压vdc、vs波形波形 PWM形成-+dcvsidcv1i+-+1L*+-2LDOiOVCOV*OVVVADVdcT+-2iOisi1ipis=i1平均值ipi1平均值is=|i1|平均值D.Ts图图5-32带反激式功率校正器环节的高频整流器带反激式功率校正器环节的高频整流器 vdcvdcLvsvidciiL 图图5-33单相半波整流器单相半波整流器 vdcdciiLLvsiv图图5-34单相全桥整流器单相全桥整流
27、器 OvsavsbvscLLLiaibicvivdciLidc 图图5-35三相电压型三相电压型PWM整流器整流器 OvsavsbvscLLLiaibicLdIDECCC图图5-36三相电流型三相电流型PWM整流器整流器 vsavsbvsc直流负载或电源RABCT1T2T3T5T6T4D1D2D3D4D5D6CIOVOLiaibic 图图5-37（a)a)电路电路 ssisIjXIRVVdIqIsIidVKdIRiqViVsIRNqIRsIXjqIXjFHd轴dIXjOq轴E图图5-375-37（b)Rb)R00 矢量图矢量图 q轴sisIjXVVd轴idVFdIsIqIiVEsVdIXjqIXjsIXj图图5-375-37（c)R=0 c)R=0 矢量图矢量图 vsavsbvscABCabcaibici1T3T5T2T4T6TiavibvicvCoIoVLLLO 图5-38 （a）电路 tan电 流 控 制 器（5-203）式（5-205）式SPWM开 关 信 号 生 成 双 向 变 流 器*oVV*di*di*qisv22iqidsvvv)/arctan(idiqvvOVOI图图5-38 (d)控制系统原理图控制系统原理图
