第5章 整流电路

整流——将交流电转变为直流电的过程，对应的电力电子电路称之为整流电路。第5章整流电路5.1概述

1.主要应用（1）电化学处理（2）可调速的直流传动系统和交流传动系统（4）通用交直交电源（5）新能源发电技术（3）高压直流输电系统2.分类不可控整流电路、半控整流电路和全控整流电路半波整流电路和桥式整流电路单相整流电路、三相整流电路和多相整流电路单象限整流电路、两象限整流电路和四象限整流电路不可控整流电路、相控整流电路和PWM整流电路3.性能指标（1）电压波形系数（2）电压纹波系数（3）电压脉动系数（4）变压器利用系数（5）输入电流总畸变率（6）输入功率因数4.谐波和功率因数■谐波：非线性负载（电力电子装置）工作过程中，电压或电流为周期性非正弦电量，对其进行傅里叶级数分解，除了得到频率与工频相同的分量（该分量称为基波），还得到一系列大于工频的分量（称为谐波）。

◆正弦波电压可表示为：

式中U为电压有效值；u为初相角；为角频率，=2f=2/T；f为频率；T为周期。◆非正弦电压u(t)分解为如下形式的傅里叶级数：

式中：n=1,2,3…或式中，cn、n和an、bn的关系为◆基波（fundamental）：频率与工频相同的分量。

谐波：频率为基波频率大于1整数倍的分量。

谐波次数：谐波频率和基波频率的整数比。◆n次谐波电流含有率以HRIn（HarmonicRatioforIn）表示◆电流谐波总畸变率THDi（TotalHarmonicdistortion）分别定义为（Ih为总谐波电流有效值）■功率因数

◆正弦电路：有功功率就是其平均功率式中U、I分别为电压和电流的有效值，为电流滞后于电压的相位差。☞视在功率为：S=UI

☞无功功率为：Q=UIsin

☞功率因数为：☞无功功率Q与有功功率P、视在功率S之间的关系：☞在正弦电路中，功率因数是由电压和电流的相位差决定的，其值为：=cos

◆非正弦电路

☞有功功率为☞功率因数为：式中I1为基波电流有效值，1为基波电流与电压的相位差。式中，=I1/I，即基波电流有效值和总电流有效值之比，称为基波因数，而cos1称为位移因数或基波功率因数。☞无功功率√定义很多，但尚无被广泛接受的科学而权威的定义。

√一般简单定义为（反映了能量的流动和交换）：

√定义为：

☞畸变功率D为：5.整流电路的理想状态：1）网侧功率因数λ=1：电网仅对整流电路提供有功功率；2）输出电压uo≡UO（电压型）或输出电流io≡IO（电流型）3）具有能量双向传递能力：电路具备双象限工作能力；4）能实现输出电压的快速调节，保证系统有良好的动态性能；5）具有较高的功率密度；6）整流电路无内耗，电路中所有元件工作时均无损耗；6.传统整流电路存在的问题：1）网侧功率因数低容性负载下，基波电流超前电压；单相桥式不控整流电路不同负载下的工作波形图三相桥式不控整流电路工作波形图：电流滞后电压；交流侧功率因数单相桥式全控整流电路工作波形图：阻感负载，α＝30°交流侧功率因数三相桥式全控整流电路工作波形图：■无功的危害

◆导致设备容量增加。

◆使设备和线路的损耗增加。◆线路压降增大，冲击性负载使电压剧烈波动。2）网侧电流谐波大，对电网危害严重单相桥式全控整流电路阻感性负载下变压器二次侧电流波形：三相桥式全控整流电路阻感性负载下变压器二次侧a相电流波形：m为一个电源周期内的换流次数，单相桥式电路m=2，三相半波电路m=3，三相桥式电路m=6。谐波次数通式：n=mk±1（k=1,2,3,……)■谐波的危害◆降低发电、输电及用电设备的效率。

◆影响用电设备的正常工作。◆引起电网局部的谐振，使谐波放大，加剧危害。◆导致继电保护和自动装置的误动作。◆对通信系统造成干扰。

3）难以实现快速调节，系统响应慢

如：三相桥式电路，响应时间在0~3.3ms；

输出滤波器参数较大，功率密度低。7.改善传统整流电路存在问题的方法：1）多相多重整流技术：并联/串联多重联结的12脉波整流电路多相多重整流技术；PWM整流技术；移相30串联2重联结电路电流波形0a)b)c)d)ia1Id180°360°ia2iab2'iAIdiab2wtwtwtwt000Id2333Id33IdId323(1+)Id323(1+)Id33Id13输入电流谐波次数为12k±1；功率因数：◆利用变压器二次绕阻接法的不同，互相错开20，可将三组桥构成串联3重联结电路

☞整流变压器采用星形三角形组合无法移相20，需采用曲折接法。

☞整流电压ud在每个电源周期内脉动18次，故此电路为18脉波整流电路。

☞交流侧输入电流谐波更少，为18k±1次（k=1,2,3…），ud的脉动也更小。☞输入位移因数和功率因数分别为：cos1=cos=0.9949cos◆将整流变压器的二次绕组移相15，可构成串联4重联结电路

☞为24脉波整流电路。

☞其交流侧输入电流谐波次为24k±1，k=1，2，3…。☞输入位移因数功率因数分别为：cos1=cos=0.9971cos◆采用多重联结的方法并不能提高位移因数，但可使输入电流谐波大幅减小，从而也可以在一定程度上提高功率因数。串联多重联结电路的顺序控制2）PWM整流技术：

采用PWM控制方式和全控型器件组成的整流电路，属于高频整流电路。用来解决传统低频整流电路存在的功率因数低、谐波大、响应慢等问题。其主电路结构与逆变电路十分相似，逆变电路的控制方法和控制技术在PWM整流电路中用法基本相同。PWM整流将成为整流电路的主流。7.PWM整流电路的分类：1）按变流方式：直接式电路；间接式电路。2）按主电路结构：桥式电路（全桥、半桥）；复合电路。3）按电网相数：单相电路；三相及多相电路。4）按输入输出间耦合方式：直耦式电路；磁耦式电路。5）按工作范围：单象限电路；多象限电路。6）按输出滤波：电压型电路；电流型电路。7）按输出电压：低压电路；中高压电路。8）按器件开关方式：硬开关电路；软开关电路。9）按直流中点形式：钳位式电路；无钳位式电路。

通常中、大功率整流电路（REC：Rectifiers）采用单相或三相桥式电路结构；小功率整流电路多采用单相不可控整流加一级直流变换电路实现网测功率因数校正（PFC：PowerFactorCorrection）。

桥式电路中，根据桥侧相电压对负载侧直流中点的电平数，可分为两电平、多电平电路；中、低压下采用前者，高压下采用直流中点钳位的PWM整流电路（NPC-PWMREC：NeutralPointClampedPWMREC）。

直耦式电路整流输出与电网无电隔离能力；磁耦式电路通过输入或输出变压器与电网实现电隔离，输入端隔离采用工频变压器，多用于大功率场合，输出端隔离采用高频变压器，多用于小功率场合。

整流电路应用广泛，电压范围从几千伏----几伏，电路拓扑结构不同，高压领域采用NPC结构，低压下采用同步整流结构（SYREC：SynchronousRectifiers）。

单象限电路，电能流传为电网到负载的单方向；多象限电路中电能可在电网与负载间双向流传，电路为双向电路。

间接式整流电路中间有高频交流环节，也称高频链整流电路；相反则称为直接式整流电路。同步倍流式整流电路全波零式同步整流电路含BoostAPFC的PWM整流电路单相电压型PWM整流电路三相电压型PWM整流电路中点钳位式三相电压型PWM整流电路

5.2低压大电流高频整流电路一、倍流整流电路

在变压器隔离的间接DC/DC变换中，中间交流环节逆变电路开关频率较高（20----300）kHz，输出整流属于高频整流电路，传统整流电路开关管损耗大，效率低。

低压和高频下，带中心抽头的变压器制作不方便。为简化分析，假定：1）输出滤波电容CO值很大，输出电压无纹波，uo≡UO

2）滤波电感L1=L2=L，无内阻且数值较大（电感电流连续）；

5.2低压大电流高频整流电路输入电压us为：电路工作可分为A,B,C三个时区：1、时区A：L1储能，L2释放能量

5.2低压大电流高频整流电路2、时区C：L2储能，L1释放能量uL2=us-Uo=USm-Uo=ULm

5.2低压大电流高频整流电路3、时区B：L1L2释放能量假定电感无内阻，稳态下，在一个周期内电流增量与电流减量相等：结论：负载电流为滤波电感电流二倍。电感量小，导线细。二、同步整流电路

在输出电压很低时，二极管作为整流器件，其导通压降引起的损耗太大，效率低。利用低压功率MOSFET作为整流器件，可以减小损耗，提高效率。自激式驱动：栅极驱动电压取自主电路；

驱动简单可靠，但驱动波形不理想；他激式驱动：利用附加逻辑电路生成驱动信号；

驱动信号理想，但必须增加电路元件；一般，工业上常用自激式驱动。根据输入电压的正负半周对称度，分为：对称型：如半桥、全桥和推挽式电路输出电压非对称型：如正激、反激式变换电路输出电压

5.2低压大电流高频整流电路

5.2低压大电流高频整流电路将uS1整流得到驱动信号u1和u2，但驱动信号在uS1=0时，同时为零，MOSFET截止，VD1、VD2导通，电路损耗大。ug1ug2ug1ug2将信号u1和u2取反，送给MOSFET作为驱动信号，可以消除零栅压区，二极管VD1、VD2不再导通，驱动波形理想。

5.2低压大电流高频整流电路1、同步倍流整流电路小型倍流整流电路，附加绕组N3提供匹配的驱动电压；LS为变压器漏感，要求尽量小，可采用交叉绕制或立绕方式。VF2倒置使用，电流由源极流向漏极；2、全波同步整流电路

5.2低压大电流高频整流电路3、非对称型同步整流电路（略）PFC技术发展------APFC技术（有源功率因数校正）对大功率装置，APFC技术要求功率因数λ=1；对小功率装置，要求λ=1时，产品性价比太低，按照IEC-1000-3-2D类设备要求，只限制网侧电流的谐波含量，不要求无谐波。因此符合IEC标准，采用简单廉价的方案可以降低设备成本，提高产品的市场竞争力。

5.3电压型单相单管PWM整流电路1）两级结构：前级PFC电路（采用Boost电路）完成电压粗调，实现网侧电流正弦化；后级DC/DC变换电路，进行电压细调；优点：性能高（功率因数高、精度高、调节速度快），结构相对简单，技术成熟；缺点：整机效率低、性价比低，多用于精密仪器电源；

5.3电压型单相单管PWM整流电路2）单级结构：将两级变换合并为一级——单级单管电路（S4或4S电路）

多用于计算机、家电设备等电源，性价比和效率较高。应用较广有电隔离能力Boost电路：输入电流近似正弦，输出端电压恒定；Buck电路：输入电容电压近似正弦，输出电流恒定；电流连续工作模式电流断续工作模式电流临界连续工作模式一、含BoostAPFC的PWM整流电路

5.3电压型单相单管PWM整流电路1、电压调节器2、模拟乘法器3、电流调节器4、载波发生器5、SPWM信号比较器6、驱动电路7、输出电压快速调节器控制电路以Boost为核心的主电路1、单相电压型整流电路的理想状态：假设：输入电压uN为正弦，整流电路无损耗，输出电压Uo无纹波，

网侧功率因数λ=1，即：

5.3电压型单相单管PWM整流电路网侧电流：与网侧电压同相；输出电流：输出功率瞬时值：输出功率平均值：结论：为实现网侧功率因数λ=1，理想状态下，输出电流io为脉动电流，

包含直流分量和二次谐波分量。直流和二次谐波电流2、BoostAPFC的PWM整流电路工作原理：

在单相不控整流电路和负载电阻之间插入Boost电路；在载波频率足够高时，电感电流连续，电路工作在CCM模式；各电量波形如图：

5.3电压型单相单管PWM整流电路输入电压：不控整流电路输出电压：电感电压：TC为控制周期，D为占空比；

5.3电压型单相单管PWM整流电路电感电流变化率：稳态下，在电网的一个周期内，电感电流的增量和减量相等，电网电压低时，电感电流上升率低，下降率高；电网电压高时，电感电流上升率高，下降率低；忽略电路内部损耗，在CCM状态下：代入ud表达式可得：可以看出：要实现BoostAPFC条件，D0必须为时变值，且按正弦绝对值变化，因此控制电路采用SPWM控制方式，调制信号为：当m增大时，D0增大，D减小，输出电压升高。

5.3电压型单相单管PWM整流电路3、输出电流io分析：（第303页）4、电路控制（略）：一般采用AFPC专用控制芯片。

5.4电压型单相桥式PWM整流电路PWM整流电路具有以下优良性能：①交流侧输入电流为正弦波；②功率因数可以控制为任意值；③电能双向传输，既可实现整流，也可实现逆变；④闭环控制时具有较快的动态响应；⑤具有良好的稳定直流电压功能；PWM整流电路应用：

①单相PWM整流电路用于电力机车和动力车的交流机车电传动系统；②当负载和电网电压发生变化时，PWM整流电路能维持直流中间电压恒定，

改善逆变电路工作条件；

③用于电动机调速，实现再生制动，节能；

④用于各种电源，如UPS电源、蓄电池充放电电源等；

功率器件：GTO——IGBT——IGCT一、理想条件下的电路分析

5.4电压型单相桥式PWM整流电路全桥PWM整流电路半桥PWM整流电路假设：输入电压uN为正弦，整流电路无损耗，输出电压Uo无纹波，

网侧功率因数λ=1，由前面推导结论：输出滤波电路：L0和C02组成串联谐振滤波器，消除二次谐波，C01用来滤除其他高频谐波电流。LN平衡电路电压、支撑无功功率、储存能量；

5.4电压型单相桥式PWM整流电路假设：忽略LN和电网内阻，rN=0整流桥输入端电压us波形由整流电路的桥臂开关状态决定，若桥臂开关为S1~S4，采用单极性PWM控制时：LN两端电压瞬时值为：对基波分量有：

5.4电压型单相桥式PWM整流电路单极性PWM控制波形图：输入回路电压、电流矢量图：

5.4电压型单相桥式PWM整流电路式中，φ为US1和UN间的相位差；UN和IN为电网电压和电流的有效值；RN为交流等效电阻。..当忽略整流电路内部损耗时：式中：若串联电感LN=0，则us=uN相位差为φ=0，io始终大于0，无法实现功率因数调节；

5.4电压型单相桥式PWM整流电路LN对于PWM电路是必不可少的元件，只有LN大于0，能量才能实现双向流动；二、PWM整流电路的基本原理LN+-uSiNuN+-uoio

5.4电压型单相桥式PWM整流电路UN.US1.UL1.OABCDIN1.UN.US1.UL1.OABCDIN1.UN.US1.UL1.OABCDIN1.UN.US1.UL1.OABCDIN1.纯电感特性正阻特性λ=1纯电容特性负阻特性λ=-1

5.4电压型单相桥式PWM整流电路（1）电压矢量端点在圆轨迹AB上运动时，PWM整流电路运行于整流状态。此时，PWM整流电路需从电网吸收有功及感性无功功率，电能将通过PWM整流电路由电网传输至直流负载。当PWM整流电路运行在B点时，则实现单位功率因数整流控制；而当在A点运行时，PWM整流电路则不从电网吸收有功功率，而只从电网吸收感性无功功率。（2）当电压矢量端点在圆轨迹BC上运动时，PWM整流电路运行于整流状态。此时，PWM整流电路需从电网吸收有功及容性无功功率，电能将通过PWM整流电路由电网传输至直流负载。当PWM整流电路运行至C点时，PWM整流电路将不从电网吸收有功功率，而只从电网吸收容性无功功率。（3）当电压矢量端点在圆轨迹CD上运动时，PWM整流电路运行于有源逆变状态。此时PWM整流电路向电网传输有功及容性无功功率，电能将从PWM整流电路直流侧传输至电网。当PWM整流电路运行至D点时，便可实现单位功率因数有源逆变控制。（4）当电压矢量端点在圆轨迹DA上运动时，PWM整流电路运行于有源逆变状态。此时，PWM整流电路向电网传输有功和感性无功功率，电能将从PWM整流电路直流侧传输至电网。三、实际条件下的电路分析1、电路的工作模式（λ=1）

5.4电压型单相桥式PWM整流电路1）工作模式Ⅰ：Sa置1（4），Sb置2（3）；

iN>0和iN<0时，导通情况如右图；交流电源沿LN短路，us=0，io=0；

电感LN

处于储能状态。iN>0iN<0

5.4电压型单相桥式PWM整流电路2）工作模式Ⅱ：Sa置1，Sb置3；

io>0，导通情况如右图c，LN

处于释能状态，协助电网向负载供电，可使输出电压高于电网电压（升压功能）us=UO；

io<0，导通情况如右图e，电网和负载同时向LN

馈能；电感LN

处于储能状态。

us=UO；

io>0io<0

5.4电压型单相桥式PWM整流电路3）工作模式Ⅲ：Sa置4，Sb置2；

io>0，导通情况如右图d，LN

处于释能状态，协助电网向负载供电，可使输出电压高于电网电压（升压功能）us=-UO；

io<0，导通情况如右图f，电网和负载同时向LN

馈能；电感LN

处于储能状态。

us=-UO；

io>0io<0

5.4电压型单相桥式PWM整流电路2、λ=1时电路工作过程分析如图：K=5，m=0.8，

φ=45o，电源电压和电流同相时电量波形：（见第315页）该电路为单极倍频工作方式；输出电压：3、负载电阻变化和电网电压变化时的稳压特性分析

5.4电压型单相桥式PWM整流电路a）图，负载电阻减小时，稳压特性矢量关系图；b）图，电网电压增大时，稳压特性矢量关系图；4、网侧功率因数λ=-1时的电路分析

5.4电压型单相桥式PWM整流电路2、λ=-1时电路工作过程分析如图：K=5，m=0.8，

φ=45o，电源电压和电流反相时电量波形：（见第320页）

5.4电压型单相桥式PWM整流电路四、电路的控制1、控制要求：（1）λ=1

或λ=-1；（2）调节输出电压UO；（3）稳定输出电压UO；（4）实现电流双象限运行；2、控制策略：（1）间接控制：幅相控制，不直接控制网侧电流，通过对us的基波分量us1的幅值和相位进行控制，间接实现对iN的控制。

缺点：动态响应慢，受系统参数影响大；

（2）直接控制：直接对电流进行控制；如：滞环跟踪控制，矢量控制等。3、采用幅相控制策略的单相SPWM整流电路（323页）4、采用电流直接控制的单相SPWM整流电路（326页）

5.4电压型单相桥式PWM整流电路采用电流直接控制的单相SPWM整流电路

5.4电压型单相桥式PWM整流电路

5.5电压型三相桥式PWM整流电路一般用于大功率整流电路

5.5电压型三相桥式PWM整流电路假设各相输入电感相等：LNa