第五章：整流電路(1)-張老師7

1、1第五章第五章 整流電路整流電路第一節(jié)、概述第二節(jié)、電壓型單相斬控式整流電路第三節(jié)、電壓型單相橋式整流電路第四節(jié)、電壓型單管單相電路（重點）補充內容單極PFC變換器2第一節(jié) 概述整流電路：AC/DC Converter分類: 不控整流電路 可控整流電路 相控(低頻) PWM控制(高頻)三相輸入負載可控網絡開關NuNioiouAC/DC3一、傳統(tǒng)相控式低頻整流電路優(yōu)缺點 結構簡單 控制方便 技術成熟 器件價低廉 問題:三相輸入負載可控網絡開關(一一) 網側功率因數(shù)低網側功率因數(shù)低 一般假設電網電壓為正弦波是合一般假設電網電壓為正弦波是合理的理的, 則有則有; 功率因數(shù)功率因數(shù) 4 其中由式6-7

2、 可知, 功率因數(shù)含:基波相移因數(shù) cos 1,電流波形正弦因數(shù) （二）電流諧波對電網的不良影響不控整流, 如圖 = 0.6 0.7 5AC-DC整流電路輸入電流及其頻譜（張，P274， Fig.8-2）由于諧波電流的存在，增加無功功率，降低了設備的功率因數(shù)；增加了中線電流。6(三) 換流引起電網電壓波形畸變(四) 快速性差 0 3.3 ms 的延時 改進: 采用PWM整流電路7二、 整流電路的理想狀態(tài) 1 =1, 即（電壓和）電流無相差，無畸變； 2 輸出電壓/電流為直流; 3 調節(jié)快速性； 4 雙向功率傳遞;采用 PWM整流電路 (斬控式)tUitUuNNmNsinsinImNuNioio

3、uAC/DC8第二節(jié)、電壓型單相斬控式整流電路電壓型：負載兩端的電壓恒定電壓型：負載兩端的電壓恒定/功率因數(shù)等于功率因數(shù)等于1拓撲電路的特點：拓撲電路的特點：直流側有三個儲能元件、雙向開關、交流側有一個電感直流側有三個儲能元件、雙向開關、交流側有一個電感推理推理1：直流側有三個儲能元件：串聯(lián)諧振直流側有三個儲能元件：串聯(lián)諧振-為某次諧波提供通路為某次諧波提供通路 另一個電容另一個電容-平波平波為高次諧波提供通路為高次諧波提供通路猜測直流側的輸入電流猜測直流側的輸入電流io的頻率成分：的頻率成分：io=直流（電阻）直流（電阻）+低頻分量低頻分量(串聯(lián)諧振串聯(lián)諧振)+高頻分量高頻分量(平波電容）平

4、波電容）9電壓型：負載兩端的電壓恒定電壓型：負載兩端的電壓恒定/輸入功率因數(shù)等于輸入功率因數(shù)等于1推理推理2：交流側有一個電感交流側有一個電感 會產生無功功率會產生無功功率與輸入功率因數(shù)等于與輸入功率因數(shù)等于1 相矛盾，因此，采用雙向開關，由直相矛盾，因此，采用雙向開關，由直流側為流側為LN 提供無功功率。提供無功功率。10上頁 2、理想條件、理想條件 1）輸入電壓）輸入電壓/電流均無畸變且同頻同相電流均無畸變且同頻同相tUitUuNNmNsinsinIm2）、網側功率因數(shù)）、網側功率因數(shù)3）、系統(tǒng)無損耗）、系統(tǒng)無損耗4）、調節(jié)速度快）、調節(jié)速度快3、理想的電壓模型、理想的電壓模型 輸出電壓為

5、恒定的直流電壓輸出電壓為恒定的直流電壓 根據(jù)無耗假設，具有能量平衡，所以有：根據(jù)無耗假設，具有能量平衡，所以有：10U一、理想的一、理想的ACDC模型模型 1、模型、模型 NuNioiouAC/DC11上頁tIiUIUIiItIItUIUUIuiiUiuiuIMNNmNmNNNN2cos22cossin002000200020000000瞬態(tài)功率平均功率結論：輸出具有2次諧波電流。)2cos1 (00000tIUiuP000001IUdtuiTPT12二、模型電路分析 1、工作原理Nu上頁在 0期間:當 處于通態(tài), 向 充磁; 靠 放電維持基本不變.所以 叫支撐電容.當 處于斷態(tài) , ON,所

6、以 將其儲能釋放給 及負載.NusTNuNL0su0u2C2C1D3DNdsLuu,2CsT13在 期間;當 處于通態(tài): , 向 充磁;當 處于斷態(tài), 將其儲能釋放給 及負載. 是一個以f為基本重復頻率的單極性調制交變方波,方波幅值為 ,寬度為 0NuTs0SuNuSTNLNdsLUuONDD,/4, 22Csu0U14RNRN 是開關Ts兩端的低頻等效電阻。因為輸入功率因數(shù)為1，所以iN 的低頻分量一定與uN 同頻同相。當RNLN，us的低頻分量近似等于uN. us的低頻分量也是一個正弦波。所以應該采用SPWM調制。占空比是指二級管導通占空比是指二級管導通/周期。周期。sin sinccDK

7、tT KtT15關鍵波形分析16上頁2、忽略 時輸出電流的分析分析L1、C1和C2的作用2.1、 的占空比采取SPWM調制。NLsutKTtKTDccsin sin的表達式sisin 0 (T/off) 0 (T/ON)NmsIttitT 在一個斬波周期內，假定在二極管導通期間電流保值不變， 的平均值sitdiTiiscso01KIItItKIttdITcoNmNmc21)2cos1 (sinsin102017上頁輸出電流頻譜：低頻：直流（有功功率）2次諧波2f（無功功率） 高頻分量： 產生無有功功率靠 C2 吸收?？傊?，輸出電流中無功功率都由直流側吸收。電網只提供有功功率。功率因數(shù)恒為1,2

8、 ,cc3、考慮、考慮LN時輸出電流分析：時輸出電流分析： UL=UN-US 對于基波分量，對于基波分量， 11NNj L INsLUUU L1，C1 為為2次諧波提供了低電阻通路次諧波提供了低電阻通路118上頁考慮LN時，UN與US1不再同相，而且若認為a b端的輸入電阻對基波分量相當純阻性負載，則 與 滯后一個相位角RN為a、b兩端基波分量的交流負載。向量圖：為了1，IN的低頻分量必須與UN同頻同相。NNRLtg11suNu110000sin() sin()sin coscos(2)2ssmsNsmNmsmNmuUtu iiUU IttUU ItUNI1sU1LUNU11sNLUUU19輸

9、出電流的平均值：輸出電流的平均值：cos)2cos(1 cos20tIKiNm0i可能出現(xiàn)負值。因此，會產生能量反向傳輸，這正好為可能出現(xiàn)負值。因此，會產生能量反向傳輸，這正好為LN提提供無功功率。但是這個電路并不存在能量反饋通路。所以模供無功功率。但是這個電路并不存在能量反饋通路。所以模型電路不是一個實用系統(tǒng)。型電路不是一個實用系統(tǒng)。上頁產生功率反饋的原因：產生功率反饋的原因：假定假定1，IN的低頻分的低頻分量必須與量必須與UN同頻同相。同頻同相。20上頁結論：1、為了實現(xiàn)1，整流電路必須是一個能量雙向傳輸系統(tǒng)；D1D4必須是一個雙向開關。2、整流電路的輸入電壓波形為控制雙向開關的控制波形必

10、須 以us為基準。)sin(1tUusms21實現(xiàn)電路22二、電壓型單極斬控整流的實際電路（自學） 1、主電路結構：特點： 1、開關是雙向開關，可以實現(xiàn)功率雙向傳輸 2、正向電流不可控，反向電流為可控。上頁NuNL1DV4DV1TV4TV2DV3DV2TV3TV2L2C1Cou232、三種工作模式 僅討論正半周NuNL1DV4DV1TV4TV2DV3DV2TV3TV2L2C1Cou工作模式1：21430 , or ,NTDDTuVVVVoNVVDT/, 12輸入電壓與輸入電流方向相同，正向儲能43,/DTVVoN輸入電壓與輸入電流方向相反，反向放能工作模式2： /,or /,4242ONVVO

11、NVVTTDD 0Nu0Uus /, 42ONVVTT /,42ONVVDD反向傳輸能量；正向傳輸能量；工作模式3：3131,or ,TTDDVVVV0Uus /, 31ONVVTT反向傳輸能量； /,31ONVVDD正向傳輸能量；24上頁（2）放磁過程：當 關斷后， 導通。 因為 故 開始下降。 中 的能量轉移到負載。這種 放磁狀態(tài)一直持續(xù)到 下次導通2TV31, 0DDNVVi0UusNuU 0LLiu, 0NLNL2TV3、工作過程分析：LN端壓uN的波形分析sNNNLuudtdiLu在uN0，（1）若 處于通態(tài)， 即 充磁。當 被強迫關斷，充磁過程結束。21,TDVV, 0, 0, 0

12、dtdiuuuNNLs所以 是上升，NiNL2TVNuNL1DV4DV1TV4TV2DV3DV2TV3TV2L2C1Cou254、電路的特點優(yōu)點：1）能夠實現(xiàn)功率因數(shù), 有效的減少了電網的諧波污染；2）能量雙向傳遞。對于電機類負載，在減速或停車工程中將負載的儲能反饋給電網，達到節(jié)能的目的。缺點： 1） 電路復雜(橋式),適合于大功率場合，對于中小功率下可用半橋電路和單管電路等 2）功率開關器件多, 利用率低。四支功率管的利用率只是在電感儲能階段（ us=o,）和能量反饋階段(iofo調制信號：)sin(tUugmg1,/, gcsdCuuTONuUDT當, (1) (21)dCdCsCdU D

13、TUD TuTDU平 均 電 壓2/,(1 -)sdCTon uUD T 否 則 ，時 間352、輸出電壓Uo的調節(jié)dCCdCdUDTTDUDTU)12( )1(u ,s平均電壓書p.274275中幾個重要公式CmgmUUm/調制比，)/arctan(NNRLgNuu調制電壓與輸入電壓的滯后角122)-(6 cos22mUUNo輸出電壓改變m可以調整輸出電壓362）為電流環(huán)提供一個參考低頻信號iR。 iR與輸入電壓uN同頻同相。因此，當電流環(huán)的低頻開環(huán)增益無限大時，可以實現(xiàn)PFC功能。三、控制電路目的：調節(jié)輸出電壓和穩(wěn)定輸出電壓。電流環(huán)電壓環(huán)控制電路采用了雙環(huán)控制：電流內環(huán)控制和電壓外環(huán)控制電

14、流內環(huán)控制的主要目的是，電感電流iN與輸入電壓uN同頻同相實現(xiàn)1電壓外環(huán)控制的主要目的是，1）穩(wěn)定輸出電壓；NRNiiu371、電流環(huán)的低頻分析電路3：交流電流檢測器。輸出電流， sinffI NfINmiK iKIt假定參考電流iR與uN同頻同相；因為PF=1,iN與uN同頻同相, 所以，if與iR同頻同相。電流求和器的輸出電流()sinRfRmfINmiiiIK It 電路8，電流調節(jié)器，其輸出電壓為2()()sineIIRfIRmfINmuKiK iiKIKIt 電路10，三角波發(fā)生器產生載波。電路9，PWM比較器，輸出信號up為PWM,其寬度正比于電流調節(jié)器的輸出信號;當up寬度增加時

15、,主電路的電感電流iN增加。電流調節(jié)過程如圖所示。電流環(huán)電壓環(huán)38電流環(huán)電壓環(huán)電流控制環(huán)的等效：NCRNRiKiii所以，當,2、電壓控制環(huán)的分析電路1，直流給定電壓uR;電路2，直流輸出電壓采樣網路ofUu 電壓求和器；輸出電壓電路4，電壓調節(jié)器1()efvRfuKUK uu電路5，交流電壓采樣器sinrinNmuK Ut電路7，乘法器，2()sinRreinNmRfiuuK Uuut1ofReRNUuuCuii當輸入功率增加所以輸出電壓增加穩(wěn)壓原理：RfUuu39電流環(huán)電壓環(huán)思考題：1、試分析電壓環(huán)的調壓功能。2、分析電流環(huán)的主要作用。3、分析電流的跟蹤性能。40第四節(jié)，電壓型單管單相電路

16、（重點）1、對于小功率電路而言，全橋或半橋仍然太復雜、成本太高。2、為了保證，電路必須具有雙向功率傳輸?shù)墓δ?。要實現(xiàn)功率雙向傳輸功能，較為簡單的電路為全橋或半橋電路。3、IEC標準只要求電流的諧波滿足一定標準，而不關心輸入的功率因數(shù)和電流的波形是否為正弦波。41IEC61000-3-2D類諧波標準類諧波標準1、目的：限制輸入電流高次諧波。相對值限制和絕對值限制例如，對于三次諧波相對值限制3.4mA/W;絕對值限制2.3A 由于絕對值限制是定值，輕載時容易滿足要求，重載時難以滿足要求；2、諧波標準對PF沒有特殊的規(guī)定，即使PF=0.8.PFC電路實質是高次諧波抑制器,而不是功率因數(shù)校正器:42一

17、、Boost APFC不可控整流器：為了使得輸出電壓為一個近似平滑直流，需要一個容量較大的濾波電容。但是由于濾波電容和二極管的非線性，輸入電流變?yōu)橐粋€尖峰脈沖，輸入電流中含有很多高次諧波，對電網造成嚴重的污染。對于不可控整流電路而言，得到一個平滑的直流輸出和消除對電網的高次諧波污染成為一對不可調和矛盾。43解決的方法是，在整流器與輸出電容之間插入一個電路，這個新插入的電路保證輸入電流為正弦波，而其輸出可以得到一個恒定的直流電壓。這個新插入的電路可以是，Boost, Buck-boost, CUK等思考題：Buck電路能否用作PFC場合？為什么？44畫出個關鍵點的波形LiduNuTuTiou45

18、單管PFC電路與半橋電路的比較 對于單管PFC電路而言，LN被搬移到整流網略以后，使得LN所需的無功功率在直流側交換。所以調制信號選擇整流橋的輸出電壓。46(一) 電路的工作模式 LN 足夠大，工作在足夠大，工作在 CCM Co足夠大足夠大 Uo為恒值為恒值 1)工作模式工作模式 a/Ts 導通導通 6-130 電感儲能2)工作模式 b/Ts 斷 6-133電感釋放能量47(二) CCM狀態(tài)下的電流正弦化1假設開關頻率fsf電網頻率。Ts很小，電感電流的平均值遠大于其增量，iL/IL0.因此，可以近似認為電感上的能量是滿足根據(jù)伏秒平衡原理，boost 電路有：6-134 6-135 tUuTD

19、uUDTuNmdCodoCdsin)(iL48 2, 輸入電流 iN 保持正弦, 即iL 正弦半波由控制實現(xiàn)。為SPWM控制。思考題：從能量傳輸?shù)慕嵌壤斫鈱崿F(xiàn)PFC功能，為什么必須采用SPWM控制？49(三) 輸出電流 io 分析 當D0/On期間，io = ic + Io二極管電流的瞬態(tài)表達式6-138 在一個高頻周期內，假定輸入電流保持不變，輸出電流的平均電流輸出電壓的頻率成分：含有低頻二次諧波。uoff2CfffC2（6-143）50四、輸出電壓的調節(jié)和原理占空比的瞬態(tài)表達式（6-143）：在半個低頻周期內，占空比的平均值：oNmoNmoUUttdUUD9 . 0)(sin10改變平均占

20、空比可以實現(xiàn)穩(wěn)壓或調壓51五、Boost型PFC電路的控制原理主電路: Tr:電流互感器控制電路:M:乘法器;VA:電壓誤差放大器(K1); CA:電流誤差放大器(K2)工作原理：VA的輸出的輸出：VA=K1(Vr-Vo); 整流電壓整流電壓：Vdc=kVin sint;輸入電流的基準信號：M=VA.Vdc=K1kVin sintCA 的輸出：CA=K2（M-Is);當K2無限大，Is=M= K1kVin sint其中，Is為低頻分量；Is 正比于Vdc(=Vin sint )52六、The waveforms of PFC53七、控制實例250W(仔細分析UC3854)54補充內容單極PFC

21、變換器參考資料：綠色電源第二章55IEC61000-3-2D類諧波標準類諧波標準1、目的：限制輸入電流高次諧波。相對值限制和絕對值限制例如，對于三次諧波相對值限制3.4mA/W;絕對值限制2.3A 由于絕對值限制是定值，輕載時容易滿足要求，重載時難以滿足要求；2、諧波標準對PF沒有特殊的規(guī)定，即使PF=0.8.PFC電路實質是高次諧波抑制器,而不是功率因數(shù)校正器:56單級電路與兩級電路單級電路與兩級電路1、有兩個控制器，PF=0.99,THDPO，多余的能量存儲在電容上，導致了直流母線電壓UB升高。當 UBD，電路達到了新的功率平衡。輸入電壓上升，占空比保持恒定，輸入的能量增加，母線電壓增加，

22、占空比減小，達到新的平衡。由于采用了電壓反饋，只能在母線電壓升高后，在下一個控制周期內使得占空比見效。612、DCM PFC+DCM DC/DCDCM DC/DC converter:RL，D 能夠實現(xiàn)PIPO，不會出現(xiàn)導致了直流母線電壓UB升高的現(xiàn)象。問題：開關的電流應力大，效率低；輸出電壓的紋波太大。3、CCM PFC+CCM DC/DCCCM PFC+CCM DC/DC ：能夠實現(xiàn)PIPO，不會出現(xiàn)導致了直流母線電壓UB升高的現(xiàn)象。問題：不存在隱含的PFC功能。62 帶有峰值電流控制可以抑制母線電壓帶有峰值電流控制可以抑制母線電壓CPC-Single Stage AC/DC Conver

23、ter with PFC and Its Experimental Results(1)Fig. 2 CPC-Single stage AC/DC converter with PFC The block acts like DCM-Boost PFC converter; the block operates as a conventional-double switches forward converter, and the block is its control diagram which consist of current and voltage loops. 63帶有母線電壓反

24、饋帶有母線電壓反饋4S電路電路,減少母線電壓的思路：在輸入回路串入一個高頻反饋電壓源Uf，Uf=nUB，輸入電流，tLnUuiiBinLiB,降低母線電壓的原理當PoUBiLiPi UB;當UiUBiLiPi UBC,電路實現(xiàn)變壓器增加了一個副邊.64帶有母線電壓反饋帶有母線電壓反饋4S電路的工作模式電路的工作模式A、等效電路：略去輸入LPF，采用帶有磁化電感的變壓器模型0,/,1LiinfioffDuuCB儲能Load電網CB儲能Load電網CB儲能Load電網模式M1模式M2模式M3模式M2：電路的從電網里吸取能量小于負載的耗能。模式M3：電路的從電網里吸取能量大于負載的耗能。模式M1：在

25、電網電壓接近零附近，電路的不從電網里吸取能量。B、三種工作模式6566電路設計電路設計1、導通死角，(圖2.10) 輸入電流等于零所對應的角inBinfUUNNUU)/(sinsin1211Uf:反饋電壓, Uin:電網電壓的峰值, UB:母線電壓,N1/N2分別為原邊繞組和副邊繞組。N2=0時， =0，PF好，UB在輕載時，升高N2=N1時， 變大，PF變壞，UB 在輕載時，降低所以，選擇合理的匝比是設計的關鍵選擇合理的匝比是設計的關鍵。672、UB的隱含表達式，公式（2.12)以公式（2.12)為基礎,利用數(shù)值計算方法求的UB的特征圖，圖2.11。683、 UB的特征圖的說明實線：Lm/L

26、i=9,虛線：Lm/Li=4.5,Lm/Li Lm/Li=9 4.5 N 2/N 1=0 780 750V 0.35 500 500V 0.7 400V 692.3 調頻調頻-調寬式正激變換電路調寬式正激變換電路一、電路結構：Boost PFC電路：L1、D1、D2、T1和CB；L1-DCM工作模式正激變換器：高頻變壓器T1、CB；D5及相連繞組是退磁回路；D3、D4及輸出LPF是輸出電路；L2-CCM工作模式;CB是儲能電容?？刂撇糠郑篐2:母線電壓采樣與變換；H1：PF控制單元；H3輸出電壓調節(jié)：控制思路：通過調頻調節(jié)母線電壓；通過占空比調節(jié)輸出電壓70二、主要特性的分析1、調節(jié)輸出電壓：

27、在穩(wěn)態(tài)時，UB=constant，L2是CCM模式，所以改變占空比就能調節(jié)輸出電壓。2、輸入功率因數(shù)校正：當PFC電路工作在DCM模式，輸入電流的高頻平均值BimssisimiUtUffLftUDisin1 2sin271frequency min),1 (, 2/frequency aximum, ,.,2 ,. 0imumUUfftmfftBimssss時當時當PF=1.頻率變化范圍如下：例如，UB=400v,Uim=220*1.414=310v, fmax=100kHz,fmin=22kHz72當UB=C，則RL/Fs=C.即負載變化時，頻率也要隨之變化。isLeimBLfRNUU423、母線電壓應力；UB與RL和開關頻率之間的關系4、頻率控制技術功率因數(shù)校正需要改變頻率；穩(wěn)定母線電壓也需要改變頻率，所以，控制系統(tǒng)中需要雙重頻率控制。73低導通損耗正激變換器（圖低導通損耗正激變換器（圖2.15)工作原理:假設輸入電壓uin0.模式1,開關T/ON,等效電路如圖2.16(a)所示,Li,D5 ,T 和D4組成了Boost 電路的充電通路；CB，T和高頻變壓器及