湖南大学现代电力电子技术(第6章)

现代电力电子技术湖南大学电气与信息工程学院第6章PWM整流器

6.1PWM整流器概述6.2电压型单相单管PWM整流电路6.3电压型桥式PWM整流电路6.4三相电压型PWM整流器6.5电流型PWM整流器6.1PWM整流器概述

一、传统整流电路存在的问题由于交流电能大多数来自公共电网，因而整流电路是公共电网与电力电子装置的接口电路，其性能将影响电网的运行和电能质量。在传统整流电路中，交流输入电压为正弦波，而输入电流却是非正弦波。如目前应用于微机和家电的小容量开关电源普遍采用不控整流加电容滤波的方案，只有整流桥输出电压高于电容电压时，才会有输入电流，交流输入电流非正弦。而相控电路受触发角的作用，交流输入电流一般也是非正弦的。6.1PWM整流器概述

传统的相控整流器虽然应用时间较长，技术也较成熟，且被广泛使用，但仍然存在很多问题:晶闸管换相引起网侧电压波形畸变。网侧谐波电流对电网产生谐波“污染”。深控时网侧功率因数降低。闭环控制时动态响应相对较慢。二极管整流器改善了整流器网侧功率因数，但仍会产生网侧谐波电流；它的不足还在于其直流电压的不可控性。6.1PWM整流器概述

PWM整流电路是采用PWM控制方式和全控型器件组成的整流电路，它能在不同程度上解决传统整流电路存在的问题。把逆变电路中的SPWM控制技术用于整流电路，就形成了PWM整流电路。对交流电源侧，通过适当控制，可以使电网电流波形接近于正弦，且和输入电压同相位，电网功率因数接近于1，实现单位功率因数，最大程度地提高电网的经济效益，减少电网对周围环境的电磁污染；对直流侧，在电网电压或负载发生变化时，能够维持直流中间电压的稳定，给电源侧逆变器提供良好的工作条件；可以实现牵引与再生制动工况间快速平滑地转换，实现电能双向传输；动态控制响应较快。二、PWM整流器的优势6.1PWM整流器概述

三、PWM整流器的拓扑结构按主电路结构电压源型(VSR)电流源型(ISR)直流脉动小，输入电流连续且简单易行，成为当今主要研究对象。从输出电平角度三电平型整流器两电平型整流器单相半桥单相全桥三相半桥三相全桥应用于大功率场合6.1PWM整流器概述

四、PWM整流器的应用

交流电力传动交流传动电力机车四象限运行变频器6.1PWM整流器概述

有源电子负载

直流电源的出厂实验、老化实验、输出特性实验等；以前：电阻能耗放电（耗能、散热问题、占用场地）现在：有源电子负载（模拟功率负载，将待试设备的输出能量反馈到电网，节约能源）

6.1PWM整流器概述

有源电力滤波器用于电力系统的无功补偿、谐波补偿等。用于铁路牵引供电系统中的三相/单相变换。6.1PWM整流器概述

可再生能源与电网间的互联可再生能源（风能、太阳能、潮汐发电、水力发电等）不可控，不能直接并入电网。太阳能发电并网系统6.1PWM整流器概述

6.1PWM整流器概述

电力储能系统超导线圈储能蓄电池储能电容储能6.2电压型单相单管PWM整流电路

在不控整流电路中，输入电流呈尖脉冲形式，电流波形的畸变致使功率因数降低，大约为0.6～0.7。目前采用的功率因数校正方法主要为无源校正和有源校正。无源校正网络由电容、电感、电力二极管等无源器件组成，主要是通过提高整流导通角的方法来减小高次谐波。该方法控制简单，成本低，可靠性高，但体积庞大，且难以得到很高的功率因数。而有源功率因数技术可以得到很高的功率因数，已广泛应用于开关电源，交流不间断电源等领域。有源功率因数校正（ActivePowerFactorCorrection－APFC）的控制策略按照输入电感电流是否连续，分为电流连续模式（CCM）和电流断续模式（DCM），交流输入电压经二极管桥式不控整流后，再经过DC／DC变换，通过相应的控制使输入电流平均值自动跟随整流电压基准值，可获得较高的网侧功率因数，并保持输出电压稳定。APFC电路有两个反馈控制环：输入电流环使DC／DC变换器输入电流为全波整流波形，并且与全波整流电压波形相位相同；输出电压环DC／DC变换器使输出端为一个直流稳压源，达到直流电源的稳压效果。

6.2电压型单相单管PWM整流电路

一、电路拓扑设交流输入电压uS=USmsinωt，则不控整流桥输出电压ud=|uS|=USm|sinωt|。当VF导通时，ud通过VF和R5对L储能，C放电维持负载电压uo，假定输出电容C足够大，则负载电压uo近似为一恒定的值Uo。R5为大功率低阻值的高精度取样电阻，用于检测输入电流，忽略其电压降，则在VF导通期间，diL/dt＞0，iL上升；在VF关断期间，diL/dt＜0，iL下降。6.2电压型单相单管PWM整流电路

二、工作原理6.2电压型单相单管PWM整流电路

三、电流连续模式CCM模式

载波频率fC足够高，保证电感电流iL连续，则udD=(uo-ud)(1-D)式中D为VF导通占空比，则(1-D)为二极管VD0的导通占空比，设为D0，可推导D0=ud/uo=USm|sinωt|/Uo在BoostAPFC条件下，D0必须按正弦绝对值变化，为此控制电路采用SPWM方式，图a为调制信号波形：ugr=Ugm|sinωt|，图b为对应的VF栅极驱动电压ug的波形，由于是通过调制VF来实现VD0导通占空比正弦化，故ug是在uc＞ugr时有输出波形。含BoostAPFC的PWM整流电路在CCM模式下的工作波形6.2电压型单相单管PWM整流电路

在控制电路中设置按正弦绝对值规律变化，并且与电路输入电压uS同相位的给定电流iref，并使电感电流iL围绕iref升降，则iL近似地按正弦绝对值脉动，图5-32c为VF的漏源极电压uVF的波形，当uVF=Uo时，VF处于关断状态，电感L释放能量，iL下降；当uVF=0时，VF处于导通状态，电感L储存能量，iL上升。而由于iL=|iS|，可知输入电流iS近似于正弦波，且与uS同相位，如图d所示。含BoostAPFC的PWM整流电路在CCM模式下的工作波形6.2电压型单相单管PWM整流电路

四、电流断续模式（DCM模式）与CCM模式相比，采用DCM控制模式具有输入电流自动跟踪电压，控制简单；开关管实现零电流开通且不承受二极管的反向恢复电流等优点，但也存在电流峰值高，器件承受较大应力的缺点，适用于功率较小的场合。含BoostAPFC的PWM整流电路在DCM模式下的工作波形6.2电压型单相单管PWM整流电路

五、输出稳压控制方式

按照上述工作原理，控制电路应能进行电流跟踪以保证输入电流正弦化，同时要能实现输出直流电压uo的调节。电路中输出电压uo经R3、R4取样，作为电压调节器的反相输入，并经误差放大器放大后，与整流输出电压R1、R2取样后的信号相乘后作为电流调节器的给定值，该给定值幅值可调，波形按正弦绝对值随时间变化，且与整流后的电压波形ud同相位。6.2电压型单相单管PWM整流电路

主回路中的R5两端电压ui反映的是电流信号，作为反馈信号连接到电流调节器的反相输入，电流调节器对差值进行PI运算后，形成调制信号连接到SPWM比较器的反相输入，SPWM比较器的同相输入连接高频载波信号uc，其输出通过驱动电路放大后用来驱动VF。当由于负载变化或输入电压变化导致输出电压uo偏离给定值时，如uo高于给定值时，电压误差放大器的输出下降，导致乘法器输出的基准电流下降，则电流调节器的输出减小，导致占空比D缩短，VF导通时间缩短，从而使输出电压uo下降，实现直流输出的自动稳压。

6.3电压型桥式PWM整流电路

根据负载的性质和要求，PWM整流电路可工作于单象限也可工作于多象限。上面介绍的APFC整流电路属于单象限电路，其电能流传方向只从电网到负载；而下面介绍的多象限电路（含电流或电压双象限）是双向电路，即电能可在电网与负载间双向流动。电压型单相桥式PWM整流电路最早用于交流机车传动系统，为间接式变频电源提供直流中间环节，由于它能使网侧电流接近正弦波，保持网侧基波功率因数为1，因而可显著提高电网运行质量。6.3电压型桥式PWM整流电路

每个桥臂由一个全控器件和反并联的整流二极管组成，L为交流侧附加的电抗器，在PWM整流电路中是一个重要的元件，起平衡电压、支撑无功功率和储存能量的作用。除必须具有输入电感外，PWM整流器的电路结构和逆变器是一样的。一、电路拓扑+-6.3电压型桥式PWM整流电路

电容Cd：保证输出电压的恒定交流侧电感LN是电路必须的。它包括外接电感与变压器漏感主电路交流侧的电阻R，包括电感电阻和交流电源内阻。当输入侧的交流电压uN（t）与电流iN（t）均为正弦时：直流输出与交流输入功率的瞬时值应当相等：6.3电压型桥式PWM整流电路

可见，直流电流id将以2倍网频脉动。要得到恒定的输出电压应当在脉冲整流器与负载间接一个由电感电容组成的二次谐波滤波器以平衡以2倍网频脉动的能量，即电路中L2C2支路。T1—T4按SPWM方式进行控制。控制正弦信号的频率与电网频率相同。在脉冲整流器交流侧产生的交流电压uS(t)的基波与电网电压同频率，其幅值和与网压的相位可控。电感LN抑制uS(t)中的高次谐波电压所产生的谐波电流。因此iN(t)也是与电网同频率的正弦量6.3电压型桥式PWM整流电路

二、电路的工作模式与能量关系模式1：S1S3导通信号电路方程是：+-iN为正时，D1和D3导通，交流侧输出能量，直流侧吸取能量，处于整流状态，iN减小，LN释放能量iN为负时，T1和T3导通，交流侧吸收能量，直流侧释放能量，处于能量反馈状态，iN增大，LN储能6.3电压型桥式PWM整流电路

模式2：S2S4导通信号电路方程+-iN为正时，T2和T4导通，交流侧与直流侧均输出能量，iN增大，LN储能iN为负时，D2和D4导通，交流侧与直流侧均吸收能量，iN减小，LN放能。6.3电压型桥式PWM整流电路

模式3：S1S2导通信号电路方程是+-直流侧与交流侧无能量交换，交流电源被短接iN为正时，D1和T2导通，iN增大，LN储能。iN为负时，D2和T1导通，iN减小，LN放能。6.3电压型桥式PWM整流电路

模式4：S3S4导通信号电路方程+-直流侧与交流侧无能量交换，交流电源被短接iN为正时，D4和T3导通，iN增大，LN储能。iN为负时，D3和T4导通，iN减小，LN放能。6.3电压型桥式PWM整流电路

主开关的控制信号产生：三、电路的工作过程uXuYuN6.3电压型桥式PWM整流电路

+-+-T1T2全为断信号，电压、电流为正，所以T4D3导通，uN给LN储能。D1on，D3on，uN

和LN给直流侧供能D1on，T2on，uN

给LN供能。uN、LN与开关组成了“升压斩波器”T4、D3、D1、LN与uN组成了一个升压斩波器；D1、T2、D3、LN与uN组成了另一个升压斩波器。uN>06.3电压型桥式PWM整流电路

+-+-在uN＜0时也有两个等效的升压斩波器uN<06.3电压型桥式PWM整流电路

以uN＞0时，T4、D3、D1、LN与uN组成的升压斩波器的工作为例，当T4导通时，uS经T4、D3被短路，电感中的电流增大，电感储能。当T4关断时，电感储能经D3、D1向直流侧电容充电。若流入电容的能量大于流出的能量，直流电压就要升高；反之就要降低。正确地控制开关的占空比，就能保持直流电压达到所要求的值并保持恒定。

为了为使PWM整流器能够正确工作，必须使直流电压值大于交流电源电压的幅值。6.3电压型桥式PWM整流电路

四、单相脉冲整流器的控制

从交流输入侧看，PWM整流器主电路可以简化为图示的等效电路。于是有如下的相量方程：等效电路整流时矢量图逆变时矢量图6.3电压型桥式PWM整流电路

由矢量图知，当uN不变时，iN的幅值与相位完全由逆变器产生的uS的幅值及其与uN的相位来决定。控制uN、uS间的相位角和uS的幅值，就能够控制交流侧的电流iN的大小和相位。可以实现iN与uN同相、反相、超前、滞后。即通过控制，既可以使PWM整流器在功率因数为1的条件下整流或逆变运行；也可以使它成为一个等效的电容或电感，向交流电路送出无功功率。

两种控制策略：直接电流控制和间接电流控制，又称相位幅值控制6.3电压型桥式PWM整流电路

(1)间接电流控制（按矢量图示关系控制）电阻、电感上的电压与网压相加（减），构成逆变器的控制信号。直流控制环节保证了直流电压的恒定。如果直流电压低于给定，则输入电流增大，输入功率增大，直流电压增高。反之则降低PIRSXLPWM4QC6.3电压型桥式PWM整流电路

(2)直接电流控制引入交流电流反馈、直接控制交流电流使其跟踪指令电流值。PIRS4QCPI比较三角波直流恒压控制与上相同。它采用电流跟踪方式以确保网压与网泫的同相位。为方便滤波器的设计，电流跟踪采用了PWM方式6.3电压型桥式PWM整流电路

两种控制方案的优缺点：间接电流控制的主要优点：不需要电流互感器，控制成本低，电路简单，易实现，静态特性好，且控制原理清楚。主要缺点是：（1）自身无限流功能（无电流环），需加过流保护电路（2）系统从一种稳态向另一稳态过渡时电流中会出现直流分量（3）系统动态响应慢。6.4三相电压型PWM整流电路

电容Cd：保证输出电压的恒定。交流侧电感LN是电路必须的。它包括外接电感与变压器漏感，为升压电感一、电路结构+-与单相不同电路中不需要二次滤波支路。设三相电流与三相电压同相，波形完全正弦，直流侧电压平直。输入与输出的电功率平衡，有：6.4三相电压型PWM整流电路

可见直流侧的电流是常数，不需要二次谐波滤波器三相脉冲整流电路的工作模式分析电路的分析比较复杂，需要将开关状态、三相电流结合起来，(与逆变电路分析相同)设相电流与相电压同相，均为正弦6.4三相电压型PWM整流电路

二、工作原理调制信号关系与单相桥式PWM整流电路相比，三相桥式PWM整流电路，应用更为广泛。其工作原理与单相桥式PWM整流电路相似，差异在于对于单相桥式PWM整流电路，是对两相桥臂施加幅值、频率相等，相位相差180°的正弦波调制信号，而三相桥式PWM整流电路需对三相桥臂施加幅值、频率相等，相位相差120°的正弦波调制信号。6.4三相电压型PWM整流电路

二、工作原理调制信号关系2431abc6.4三相电压型PWM整流电路

+区域1：T1、T3、T5有信号，ia、ic为正，ib为负D1、D5、T3导通。三相电压作用在三相电感上，电流增加，电感储能区域2：T1、T6、T5有信号，ia、ic为正，ib为负+-D1、D5、D6导通。三相电源发出电能，电流减小，电感释放储能6.4三相电压型PWM整流电路

区域3：T1、T6、T2有信号，从ia、ic为正及ib为负变到ia为正、ib和ic为负。bc两相间短路环流+-+-6.4三相电压型PWM整流电路

区域4：T4、T6、T2有信号，ia为正、ic、ib为负。-按上述方法可分析出各个区域中器件的通断状态并确定能量的流动方向该电路中工作模式是：非零状态下的三个二极管导通模式非零状态下的二个二极管一个开关导通模式零状态下的二个二极管一个开关导通模式模式工作模式与电流方向(例如再生时)有关6.4三相电压型PWM整流电路

电压型单相桥式PWM整流电路整流运行，功率因数λ=1时的工作波形工作状态6.4三相电压型PWM整流电路

由于每相桥臂有两种开关模式，即上桥臂导通或下桥臂导通，故三相桥式PWM整流电路共有23=8种开关模式，用1表示上桥臂功率管或反并联的二极管导通，0表示下桥臂功率管或反并联的二极管导通，则三相桥式PWM整流电路的开关模式如表所示。开关模式开关模式12345678导通器件V1或VD1V6或VD6V2或VD2V4或VD4V3或VD3V2或VD2V1或VD1V3或VD3V2或VD2V4或VD4V6或VD6V5或VD5V1或VD1V6或VD6V5或VD5V4或VD4V3或VD3V5或VD5V1或VD1V3或VD3V5或VD5V4或VD4V6或VD6V2或VD2开关函数0010100111001011101110006.4三相电压型PWM整流电路

三相桥式PWM整流电路的运行方式较单相桥式PWM整流电路复杂，图为三相网侧电流ia>0、ib<0、ic>0时对应的8种开关模式的运行方式。1）模式1：VD1、VD6和V2导通，电网通过VD1和VD6向负载供电；桥侧线电压ubc=0，bc两相沿Lb和Lc短路并按图示的电流方向流过内部环流。6.4三相电压型PWM整流电路

2）模式2：V4、V3和V2导通，直流侧电容C通过V3、V4和V2向电网输出能量。6.4三相电压型PWM整流电路

3）模式3：VD1、V3和V2导通，直流侧电容C通过V3、V2向电网输出能量；桥侧线电压uab=0，ab两相沿La和Lb短路并按图示的电流方向流过内部环流。6.4三相电压型PWM整流电路

4）模式4：V4、VD6和VD5导通，电网通过VD5和VD6向负载供电；桥侧线电压uab=0，ab两相沿La和Lb短路并按图示的电流方向流过内部环流。6.4三相电压型PWM整流电路

5）模式5：VD1、VD6和VD5导通，电网通过VD1、VD5和VD6向负载供电。6.4三相电压型PWM整流电路

6）模式6：V4、V3和VD5导通，直流侧电容C通过V3、V4向电网输出能量；桥侧线电压ubc=0，bc两相沿Lb和Lc短路并按图示的电流方向流过内部环流。6.4三相电压型PWM整流电路

7）模式7：VD1、V3和VD5导通，各相电网电压经输入电感通过每相上桥臂短路，uab=ubc=uca=0，La、Lb和Lc按图示的电流方向流过内部环流；整流桥与负载脱离，负载电流由C放电来维持。6.4三相电压型PWM整流电路

8）模式8：V4、VD6和V2导通，各相电网电压经输入电感通过每相下桥臂短路，uab=ubc=uca=0，La、Lb和Lc按图示的电流方向流过内部环流；整流桥与负载脱离，负载电流由C放电来维持。6.4三相电压型PWM整流电路

三相桥式PWM整流电路的运行方式（ia>0、ib<0、ic>0）a)模式1（001）b)模式2（010）c)模式3（011）d)模式4（100）e)模式5（101）f)模式6（110）g)模式7（111）h)模式8（000）6.4三相电压型PWM整流电路

三相电压型PWM整流电路的控制被控量Ud：要求Ud基本保持恒定iN：要求iN与uN保持同相或反相控制方法直接电流控制：引入交流电流反馈间接电流控制：没有引入交流电流反馈6.4三相电压型PWM整流电路

间接电流控制它在控制系统中没有引入电流闭环，而是根据电路阻抗特性，用数学的方法代替电流闭环作用。尽管它动态响应稍慢，还存在瞬态直流电流偏移，但具有简单的控制结构和良好的开关特性，便于微机实现，而且可靠性高。另外还可省去两个高精度电流传感器。适用于对动态响应要求不高场合，具有良好的工程实用价值。6.4三相电压型PWM整流电路

直接电流控制电流滞环控制固定开关频率控制电流矢量控制状态反馈控制无差拍控制极点配置法二次型最优控制

Lyapunov方法非线性状态反馈控制……共同特点:有电流闭环，都具有不错的动、静态性能。不过这些方案都需要两个宽带的交流电流传感器，有的方案甚至还需要负载电流传感器。6.4三相电压型PWM整流电路

滞环电流控制是基于瞬时电流反馈的一种常用的非线性控制方式，将实测的三相电流与参考信号比较，然后根据比较器的输出决定开关的状态。优点:电流跟踪精度高，响应快。缺点:开关频率不恒定。开关频率的变化会给驱动保护电路以及主电路的设计带来困难，对系统性能也有影响。

6.4三相电压型PWM整流电路

电流矢量控制电流矢量控制可以直接控制系统的有功功率和无功功率，它的核心思想是对三相VSR网侧电流的有功、无功分量进行独立控制。

这种控制方法电流控制精度较高，不仅在稳态时能够精确地跟踪电流指令，实现无静差，并且动态性能也较好。但其控制算法比较复杂。6.4三相电压型PWM整流电路

坐标变换6.4三相电压型PWM整流电路

6.4三相电压型PWM整流电路

6.4三相电压型PWM整流电路

PWM整流器主电路参数选择交流侧电感的选择

电感上压降尽可能小,一般不大于电源额定电压的30%交流侧电流总畸变率THD尽可能小，一般要求低于5%在一个开关周期内交流侧电流的最大超调量尽可能小，一般要求小于交流侧额定电流峰值的10%满足瞬态电流跟踪要求6.4三相电压型PWM整流电路

直流侧电容的选择

直流侧电容的大小既关系到整流器的成本，更关系到在各种扰动下直流母线电压的稳定性，进而关系到PWM整流器的抗负载扰动性能。可按典型2型系统设计PI调节器，同时根据udc的最大动态降落允许值决定C的下限值。6.4三相电压型PWM整流电路

直流电压的选择

对三相VSR，当交流侧线电压uab>0时，其电路结构可等效为要保证整流器输入端线电压不含有与PWM开关频率无关的低次谐波，直流电压udc必须不小于交流侧线电压基波uab的最大峰值。设交流侧相电压的有效值为Up，则有

|Up|≤udc

6.4三相电压型PWM整流电路

三相电压型PWM整流器建模定义开关函数：

6.4三相电压型PWM整流电路

由于

因此有：6.4三相电压型PWM整流电路

6.4三相电压型PWM整流电路

三相电压型PWM整流器闭环控制6.4三相电压型PWM整流电路

6.4三相电压型PWM整流电路

解耦模型的建立

根据三相PWM整流器的dq坐标方程式有：

用指令电压的形式表示：利用状态反馈和输入前馈可实现对d、q轴电流的完全解耦控制，引入了电流（和）的状态反馈和电网电压（）的前馈补偿6.4三相电压型PWM整流电路

6.5三相电流型PWM整流电路

三相电流型PWM整流电路如图所示，由于PowerMOSFET和大多数IGBT内部漏极（集电极）和源极（发射极）间有反并联的二极管，为了防止电流反向流动，在功率开关管V1～V6的漏极（集电极）串接了整流二极管VD1～VD6。显然，这种整流电路不能实现电流回馈，但通过控制L1的电流变化可使得直流侧电压ud按交流形式变化，同样可以实现能量的双向流动。因为整流器直流输出需要很大的平波电抗，装置体积较大，电流型PW