电力电子技术：第五章 AC-DC变换器（整流和有源逆变电路）

1、12345相控有源逆变电路相控有源逆变电路 PWM整流电路整流电路 同步整流电路同步整流电路 6概述概述 不控整流电路不控整流电路 相控整流电路相控整流电路基本内容 凡能将交流电能交流电能转换为直流电能直流电能的电路统称为整整流电路流电路，简称为AC-DC。 整流电路是出现最早的电力电子电路，自20世纪20年代至今已经历了以下几种类型： 旋转式变流机组（交流电动机-直流发电机组） 静止式离子整流器和静止式半导体整流器 整流电路有多种分类方法整流电路有多种分类方法 按交流电源输入相数来分类，可分为单相单相与多相多相整流电 按电路结构来分类，可分为半波半波、全波全波与桥式整流桥式整流电路 若按整流

2、电路中使用的电力电子器件来划分，可分为不不控整流电路控整流电路、相控电路相控电路、PWM整流电路整流电路 5.1 概述概述 利用电力二极管电力二极管的单相导电性可以十分简单地实现交流交流直流直流电力变换。 由于二极管整流电路输出的直流电压与与交流输入电压的大小有关，不能通过电路本身控制其数值，故称为不控整流电路不控整流电路。5.2 不控整流电路不控整流电路t0223二极管导通情况VD1导通VD1截止VD1导通负载电压udu20u2负载电流idu2/R0u2/R二极管端电压uVD10u20负载电压平均值Ud 电源变压器副边电压有效值为U202245. 0)(dsin221UttU 5.2.1 单

3、相不控整流电路单相不控整流电路单相半波不控整流电路电阻负载时各区间工作情况负载只获得了电源半个周期的电压，因此，该电路也称为单相半波整流电路单相半波整流电路 5.2.1 单相不控整流电路单相不控整流电路t0t1t12二极管导通情况VD1导通VD1导通VD1截止负载电压udu2u20负载电流id有有0二极管端电压uVD100u2表5-2 单相半波不控整流电路阻感负载时各区间各区间工作情况感性负载时，直流电压将出现负值，降低了直流平均电压 5.2.1 单相不控整流电路单相不控整流电路消除了负载电压出现负值的现象带续流二极管的单相半波整流电路 5.2.1 单相不控整流电路单相不控整流电路t02二极管

4、导通情况VD1导通、VD2截止VD1截止、VD2导通负载电压udu20负载电流id水平直线整流二极管电流iVD1矩形波0续流二极管电流iVD20矩形波整流二极管端电压uVD10u2续流二极管端电压uVD2-|u2|0表5-3 单相半波不控整流电路大电感负载带续流二极管时各区间工作情况 半波整流负载电压仅为交流电源的正半周电压，造成交交流电源利用率偏低，输出脉流电源利用率偏低，输出脉动大动大，因此使用范围较窄。 若能经过变换将交流电源的负半周电压也得到利用，即获得图5-2a中的负载电压波形，则负载电压平均值Ud可提高1倍，电源利用率大大提高。 采用单相全波整流电路单相全波整流电路 5.2.1 单

5、相不控整流电路单相不控整流电路单相半波整流电路带电阻性负载电路及波形 图5-2a 单相全波整流电路负载电压波形 如何利用负半周？如何利用负半周？ 5.2.1 单相不控整流电路单相不控整流电路单相半波整流电路带电阻性负载电路及波形 图5-2a 单相全波整流电路负载电压波形 单相全波整流电路图5-2 单相全波整流负载电压波形a)单相全波整流电路负载电压波形 b)单相全波整流电路 c)交流输入正半周整流电路工作图 d)交流输入负半周整流电路工作图 5.2.1 单相不控整流电路单相不控整流电路t02二极管导通情况VD1导通、VD2截止VD2导通、VD1截止ud|u2|u2|uVD1和uVD2uVD1=

6、0，uVD2= -2|u2|uVD1= -2|u2|，uVD2=0Ud0229 . 0)(dsin21UttU 5.2.1 单相不控整流电路单相不控整流电路表5-4 单相全波整流电路各区间工作情况图5-2 单相全波整流电路 5.2.1 单相不控整流电路单相不控整流电路222U单相全波整流电路必须要有一个带中心抽头的变压器一个带中心抽头的变压器，且二极管承受的最高电压为最高电压为 共阴极连接共阳极连接 5.2.1 单相不控整流电路单相不控整流电路 5.2.1 单相不控整流电路单相不控整流电路单相桥式整流电路能够克服全波整流电路二极管承受电压高、需要复杂的抽头变压器等不足之处a)单相桥式整流电路

7、b)交流输入正半周单相桥式整流电路工作图 c)交流输入负半周单相桥式整流电路工作图 5.2.1 单相不控整流电路单相不控整流电路t02二极管导通情况VD1和VD4导通、VD2和VD3截止VD2和VD3导通、VD1和VD4截止ud|u2|u2|uVDuVD1,4=0， uVD2,3= -|u2|uVD3=0， uVD1,4= -|u2|Ud0229 . 0)(dsin21UttU 5.2.1 单相不控整流电路单相不控整流电路表5-5 单相桥式整流电路各区间工作情况 5.2.1 单相不控整流电路单相不控整流电路 在单相输入的AC-DC整流电路中，单单相桥式相桥式整流电路应用极为广泛。 半波整流半波

8、整流电路交流电源电流是单方向的，电源变压器存在直流磁化直流磁化现象，是半波整流电路的应用不广泛的主要原因之一。 而桥式桥式和全波全波电路电源电流双向流动，使交流电源得到充分利用，也不存在不存在电源变压器直流磁化现象。 5.2.2 三相不控整流电路三相不控整流电路 抑制3次谐波电流流入电网为了得到零线，副方必须采用星形接法（零式整流电路）共阴极接法 5.2.2 三相不控整流电路三相不控整流电路 5.2.2 三相不控整流电路三相不控整流电路 5.2.2 三相不控整流电路三相不控整流电路 5.2.2 三相不控整流电路三相不控整流电路 单相交流整流电路所能提供的功率通常限制在2.5kW以下，要求更大功

9、率直流电源大功率直流电源的设备就需要利用三相交流电源和三相整流电路，其中最普及的是三相桥式整流电路。 由于三相桥式整流电路多用于中、大功率场合，因此很少采用单个二极管进行组合，而多采用三相三相整流模块整流模块，如左图a)所示。 三相桥式整流电路 5.2.2 三相不控整流电路三相不控整流电路 整流模块电路共阴极组共阳极组电压波形共阴极组的3个二极管中阳极所接交流电压值最高的一个最高的一个二极管导通；共阳极组的3个二极管中阴极所接交流电压值最低的一个最低的一个二极管导通。即任意时刻共阳极组和共阴极组中各有各有1个二极管个二极管处于导通状态。图5-4 三相桥式整流电路和负载电压波形 5.2.2 三相

10、不控整流电路三相不控整流电路 电路电路时 段IIIIIIIVVVI共阴极组中导通的二极管VD1VD1VD3VD3VD5VD5共阳极组中导通的二极管VD6VD2VD2VD4VD4VD6整流输出电压uduabuacubcubaucaucb整流电压平均值Ud2323234. 2)(dsin2331UttU表5-6 三相桥式整流电路各区间工作情况 5.2.2 三相不控整流电路三相不控整流电路 将负载电压ud波形中的一个周期分成6段，每段60，每段导通的二极管及输出整流电压的情况如表5-6所示。 5.2.3 整流滤波电路整流滤波电路 虽然都是单方向的电虽然都是单方向的电能，脉动较大能，脉动较大要把脉动的

11、直流变成波形平整的直流，要把脉动的直流变成波形平整的直流，“填平取齐填平取齐”工作，工作，即所谓的滤波工作即所谓的滤波工作常用的滤波电路：常用的滤波电路：电容滤波电容滤波、电感滤波电感滤波、复式滤波复式滤波 1. 电容滤波电路电容滤波电路 5.2.3 整流滤波电路整流滤波电路 详细分析详细分析 将时间坐标原点取在u2正半周内， VD1和VD4导通的起始时刻。设VD1和VD4导通的时刻与u2过零点相距角，则: 在VD1和VD4导通期间，以下方程成立: 222sin()uUt2( 0 )2s i nuUd22cos()CiCUt201( 0 )tuid tuCdC 5.2.3 整流滤波电路整流滤波

12、电路 详细分析详细分析22cos()CiCUt222sin()RuUtiRR222sin()2cos()dCRUtiiiCUtRt时，id=0tan()RC 电容放电t时，22( )2sin()duuU电容放电期间：22sin()tRCduUe 5.2.3 整流滤波电路整流滤波电路 详细分析详细分析电容放电放电期间：/2( )2sin()tRCdutUe放电结束时：2(/2sin()RCduUe）222sin()2sin( )RCUeUtan()RC tan()acrRCtan()2sin()1acrRCRCRCRCeeRC/t放电结束时ud=u2 5.2.3 整流滤波电路整流滤波电路 根据以

13、上两式求得的和角随RC变化的曲线。tan()acrRCtan()2sin()1acrRCRCRCRCeeRC趋向/2趋向0 5.2.3 整流滤波电路整流滤波电路 2、输出电压平均值输出电压平均值 一个正弦周期内ud是五个点的连接曲线，并且半个周期对称。分两段：一段电源电压，一段指数衰减电压，则整流输电压平均值为：2022sin(2sin()1) ()()tR CdUetUtdtUd 5.2.3 整流滤波电路整流滤波电路 22012sin() ()2sin()()tR CdUUtdtUedt空载R 22dUU0重载，R很小20.9dUU实际应用时，3 52RCT输出电压，21.2dUU 5.2.

14、3 整流滤波电路整流滤波电路 5.2.3 整流滤波电路整流滤波电路 2电感滤波电路电感滤波电路 电容滤波电路电容滤波电路利用了电容两端电压不能突变的特点，可实现电压平滑。 电感滤波电路电感滤波电路则是利用电感中的电流不能突变的特点，使输出电流平滑。 电感有电流平波作用电流平波作用。电感滤波电路及对应的负载电流波形如图所示。电感滤波的单相桥式不可控整流电路及工作波形 5.2.3 整流滤波电路整流滤波电路 对于负载而言，采用大电容滤波的整流电路相当于直流电压源直流电压源，而采用大电感滤波的整流电路相当于直流电流源直流电流源。3、复式滤波电路、复式滤波电路 实际应为此情况，但分析复杂 ud波形更平直

15、，电流i2的上升段平缓了许多，这对于电路的工作是有利的a）b）更平直更接近正弦波 5.2.3 整流滤波电路整流滤波电路 5.2.4 倍压、倍流不控整流电路倍压、倍流不控整流电路 1倍压不控整流电路倍压不控整流电路 世界各国的市电电压（单相电压）并不完全一样，有的单相电压有效值为有效值为110V，有的为为220V（或230V），如我国的市电电压标准为220V。为适应不同国家的需要，实现两种输入电源的转换，可采用左图所示的倍压整流技术。倍压不可控整流电路 5.2.4 倍压、倍流不控整流电路倍压、倍流不控整流电路 两种输入交流电压的转换由开关S来完成。当开关S打开时，二极管VD1VD4组成了全桥整流

16、电路，对输入的交流220V进行整流，也同样产生数值为ud的直流电压。当开关S闭合时，电路在110V交流输入电压下工作。在交流电的正半周，通过VD1，C1上的电压被充电到交流电压的峰值ud/2。而在交流电的负半周，C2上的电压通过VD2也被充电达到交流电压的峰值ud / 2，电路输出的直流电压应为C1和C2上充电电压之和，即ud。 2倍流不控整流电路出于电隔离和电压匹配的需要，在DC/DC变换中常采用间接变换方案，即含有DC-AC-DC的直流变换电路。其输出端整流电路属于高频整流电路，输入为正负对称的方波。 5.2.4 倍压、倍流不控整流电路倍压、倍流不控整流电路 2倍流不控整流电路 当输出为低

17、压大电流时，传统的桥式整流电路桥式整流电路中存在两个二极管压降，二极管的导通损耗会大大降低电路的效率；而全全波整流电路波整流电路虽然只需要2个二极管，损耗小，但变压器二次侧绕组有中心抽头，给高频变压器的绕制带来困难。 5.2.4 倍压、倍流不控整流电路倍压、倍流不控整流电路 5.2.4 倍压、倍流不控整流电路倍压、倍流不控整流电路 倍流整流电路变压器二次侧匝数与全波整流电路相等，比全桥电路多一倍，但不用中心抽头倍流整流电路 5.2.4 倍压、倍流不控整流电路倍压、倍流不控整流电路 t0t1段，电源电压uT处于正半周，二极管VD1截止，VD2正偏导通，iL1由电源经L1、VD2和负载R流过，为负载R提供能量，同时L1储能，因此该段被称为L1储能期。而L2经VD2释放能量给R，iL1和iL2流动方向如图c所示，iL=iL1+iL22iL1。c）t2t3段，电源电压uT处于负半周，二极管VD1正偏导通，VD2截止，iL2由电源经L2、VD1和负载R流过，为负载R提供能量，同时L2储能，而L1经VD1释放能量给R，因此该段被称为L1放能期。iL1和iL2流动方向如图d所示，iL=iL1+iL22iL1。 5.2.4 倍压、倍流不控整流电路倍压、倍流不控整流电路 d）t1t2段和t3t4，电源电压uT=0，L1和L2分别通过VD1和VD2续流，