第5章整流電路

1、 整流整流將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姷倪^程，對應(yīng)的電力電子將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姷倪^程，對應(yīng)的電力電子電路稱之為整流電路。電路稱之為整流電路。第第5章章 整流電路整流電路5.1 5.1 概概 述述 1. 主要應(yīng)用主要應(yīng)用（1）電化學處理）電化學處理（2）可調(diào)速的直流傳動系統(tǒng)和交流傳動系統(tǒng)）可調(diào)速的直流傳動系統(tǒng)和交流傳動系統(tǒng)（4）通用交直交電源）通用交直交電源（5）新能源發(fā)電技術(shù)）新能源發(fā)電技術(shù)（3）高壓直流輸電系統(tǒng)）高壓直流輸電系統(tǒng)2. 分類分類u不可控整流電路、半控整流電路和全控整流電路不可控整流電路、半控整流電路和全控整流電路u半波整流電路和橋式整流電路半波整流電路和橋式整流電路u單相整流電路、三

2、相整流電路和多相整流電路單相整流電路、三相整流電路和多相整流電路u單象限整流電路、兩象限整流電路和四象限整流電路單象限整流電路、兩象限整流電路和四象限整流電路u不可控整流電路、相控整流電路和不可控整流電路、相控整流電路和PWM整流電路整流電路3. 性能指標性能指標（1）電壓波形系數(shù)）電壓波形系數(shù) （2）電壓紋波系數(shù)）電壓紋波系數(shù)（3 3）電壓脈動系數(shù)）電壓脈動系數(shù) （4 4）變壓器利用系數(shù)）變壓器利用系數(shù) （5 5）輸入電流總畸變率）輸入電流總畸變率 （6 6）輸入功率因數(shù)）輸入功率因數(shù)4. 諧波和功率因數(shù)諧波和功率因數(shù)諧波：諧波：非線性負載（非線性負載（電力電子裝置電力電子裝置）工作過程中，

3、電壓或）工作過程中，電壓或電流為電流為周期性非正弦電量，對其進行傅里葉級數(shù)分解，除周期性非正弦電量，對其進行傅里葉級數(shù)分解，除了得到頻率與工頻相同的分量（該分量稱為基波），還得了得到頻率與工頻相同的分量（該分量稱為基波），還得到一系列大于工頻的分量（稱為諧波）。到一系列大于工頻的分量（稱為諧波）。 正弦波正弦波電壓可表示為電壓可表示為 ： 式中式中U為電壓有效值；為電壓有效值； u為初相角；為初相角； 為角頻率，為角頻率， =2 f=2 /T；f為頻率；為頻率； T為周期。為周期。 非正弦非正弦電壓電壓u( t)分解為如下形式的傅里葉級數(shù)：分解為如下形式的傅里葉級數(shù)： )sin(2)(utUt

4、uutaan tbn tnnn()(cossin)01式中：式中：200)(d)(21ttua20)(dcos)(1ttntuan20)(dsin)(1ttntubnn=1, 2, 3或或utacntnnn()sin()01式中，式中，cn、 n和和an、bn的關(guān)系為的關(guān)系為cabnnn22nnnarctg ab(/)acnnnsinbcnnncos基波（基波（fundamental）：頻率與工頻相同的分量。：頻率與工頻相同的分量。 諧波諧波：頻率為基波頻率大于：頻率為基波頻率大于1整數(shù)倍的分量。整數(shù)倍的分量。 諧波次數(shù)諧波次數(shù)：諧波頻率和基波頻率的整數(shù)比。：諧波頻率和基波頻率的整數(shù)比。 n次

5、諧波電流含有率以次諧波電流含有率以HRIn（Harmonic Ratio for In）表示）表示 HRIIInn1100(%)電流諧波總畸變率電流諧波總畸變率THDi（Total Harmonic distortion）分別定義為（）分別定義為（Ih為總為總諧波電流有效值）諧波電流有效值） (%)1001IITHDhi功率因數(shù)功率因數(shù) 正弦電路正弦電路 ：有功功率就是其平均功率有功功率就是其平均功率 20cos)(21IUtiduP式中式中U、I分別為電壓和電流的有效值，分別為電壓和電流的有效值， 為電流滯后于電壓的相位差。為電流滯后于電壓的相位差。視在功率為：視在功率為： S=UI 無功功

6、率為：無功功率為： Q=UIsin 功率因數(shù)為：功率因數(shù)為： SP無功功率無功功率Q與有功功率與有功功率P、視在功率、視在功率S之間的關(guān)系：之間的關(guān)系： 222QPS在正弦電路中，功率因數(shù)是由電壓和電流的相位差在正弦電路中，功率因數(shù)是由電壓和電流的相位差 決定的，其值為：決定的，其值為： =cos 22PSQ11cosIUP 非正弦電路非正弦電路 有功功率為有功功率為功率因數(shù)為：功率因數(shù)為：式中式中I1為基波電流有效值，為基波電流有效值， 1為基波電流與電壓的相位差。為基波電流與電壓的相位差。11111coscoscosIIUIUISP式中，式中， =I1/I，即基波電流有效值和總電流有效值之

7、比，稱為，即基波電流有效值和總電流有效值之比，稱為基波因數(shù)基波因數(shù)，而而cos 1稱為稱為位移因數(shù)位移因數(shù)或或基波功率因數(shù)基波功率因數(shù)。 無功功率無功功率 定義很多，但尚無被廣泛接受的科學而權(quán)威的定義。定義很多，但尚無被廣泛接受的科學而權(quán)威的定義。 一般簡單定義為（反映了能量的流動和交換）：一般簡單定義為（反映了能量的流動和交換）： 定義為：定義為： 畸變功率畸變功率D為：為：22222nnfIUQPSD11sinIQUf5. 整流電路的理想狀態(tài)：整流電路的理想狀態(tài)：1）網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)）網(wǎng)側(cè)功率因數(shù) =1：電網(wǎng)僅對整流電路提供有功功率；：電網(wǎng)僅對整流電路提供有功功率；2）輸出電壓）輸出電壓uoU

8、O（電壓型）或輸出電流（電壓型）或輸出電流ioIO（電流型）（電流型）3）具有能量雙向傳遞能力：電路具備雙象限工作能力；）具有能量雙向傳遞能力：電路具備雙象限工作能力；4）能實現(xiàn)輸出電壓的快速調(diào)節(jié)，保證系統(tǒng)有良好的動態(tài)性能；）能實現(xiàn)輸出電壓的快速調(diào)節(jié)，保證系統(tǒng)有良好的動態(tài)性能；5）具有較高的功率密度；）具有較高的功率密度；6）整流電路無內(nèi)耗，電路中所有元件工作時均無損耗；）整流電路無內(nèi)耗，電路中所有元件工作時均無損耗；6. 傳統(tǒng)整流電路存在的問題：傳統(tǒng)整流電路存在的問題：1）網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)低）網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)低容性負載下，基波電流超前電壓；容性負載下，基波電流超前電壓；單相橋式不控整流電路不同負載下

9、的工作波形圖單相橋式不控整流電路不同負載下的工作波形圖三相橋式不控整流電路工作波形圖：三相橋式不控整流電路工作波形圖：電流滯后電壓；電流滯后電壓；cos9 . 0cos22cos111II交流側(cè)功率因數(shù)交流側(cè)功率因數(shù) 單相橋式全控整流電路工作波形圖：單相橋式全控整流電路工作波形圖：阻感負載，阻感負載，30交流側(cè)功率因數(shù)交流側(cè)功率因數(shù) 113coscos0.955cosIPFI三相橋式全控整流電路工作波形圖：三相橋式全控整流電路工作波形圖：無功的危害無功的危害 導致設(shè)備容量增加。導致設(shè)備容量增加。 使設(shè)備和線路的損耗增加。使設(shè)備和線路的損耗增加。 線路壓降增大，沖擊性負載使電壓劇烈波動。線路壓降

10、增大，沖擊性負載使電壓劇烈波動。2）網(wǎng)側(cè)電流諧波大，對電網(wǎng)危害嚴重）網(wǎng)側(cè)電流諧波大，對電網(wǎng)危害嚴重單相橋式全控整流電路阻感性負載下變壓器二次側(cè)電流波形：單相橋式全控整流電路阻感性負載下變壓器二次側(cè)電流波形：三相橋式全控整流電路阻感性負載下變壓器二次側(cè)三相橋式全控整流電路阻感性負載下變壓器二次側(cè)a相電流波形：相電流波形：,5, 3, 1,5, 3, 12sin2sin14)5sin513sin31(sin4nnnddtnItnnItttIi3,2, 11613,2, 116asin2) 1(sin2sin1) 1(32sin3213sin13111sin1117sin715sin51sin32k

11、knnkkknkdddtnItItnnItItttttIi m為一個電源周期內(nèi)的換流次數(shù)，單相橋式電路為一個電源周期內(nèi)的換流次數(shù)，單相橋式電路m=2，三相半波電路，三相半波電路m=3，三相橋式電路三相橋式電路m=6。諧波次數(shù)通式：諧波次數(shù)通式： n=mk 1 （k=1,2,3,)諧波的危害諧波的危害 降低發(fā)電、輸電及用電設(shè)備的效率。降低發(fā)電、輸電及用電設(shè)備的效率。 影響用電設(shè)備的正常工作。影響用電設(shè)備的正常工作。 引起電網(wǎng)局部的諧振，使諧波放大，加劇危害。引起電網(wǎng)局部的諧振，使諧波放大，加劇危害。 導致繼電保護和自動裝置的誤動作。導致繼電保護和自動裝置的誤動作。 對通信系統(tǒng)造成干擾。對通信系統(tǒng)

12、造成干擾。 3）難以實現(xiàn)快速調(diào)節(jié)，系統(tǒng)響應(yīng)慢）難以實現(xiàn)快速調(diào)節(jié)，系統(tǒng)響應(yīng)慢 如：三相橋式電路，響應(yīng)時間在如：三相橋式電路，響應(yīng)時間在03.3ms； 輸出濾波器參數(shù)較大，功率密度低。輸出濾波器參數(shù)較大，功率密度低。7. 改善傳統(tǒng)整流電路存在問題的方法：改善傳統(tǒng)整流電路存在問題的方法：1）多相多重整流技術(shù)：）多相多重整流技術(shù)：并聯(lián)并聯(lián)/串聯(lián)多重聯(lián)結(jié)的串聯(lián)多重聯(lián)結(jié)的12脈波整流電路脈波整流電路多相多重整流技術(shù)；多相多重整流技術(shù)； PWM整流技術(shù)；整流技術(shù)；移相移相30 串聯(lián)串聯(lián)2重聯(lián)結(jié)電路電流波形重聯(lián)結(jié)電路電流波形0a)b)c)d)ia1Id180360ia2iab2iAIdiab2tttt000I

13、d2333Id33IdId323(1+ )Id323(1+)Id33Id13輸入電流輸入電流諧波次數(shù)諧波次數(shù)為為12k1；功率因數(shù)：功率因數(shù)：cos9886. 0cos1利用變壓器二次繞阻接法的不同，互相錯開利用變壓器二次繞阻接法的不同，互相錯開20 ，可將三組橋構(gòu)成，可將三組橋構(gòu)成串聯(lián)串聯(lián)3重聯(lián)結(jié)電路重聯(lián)結(jié)電路 整流變壓器采用星形三角形組合無法移相整流變壓器采用星形三角形組合無法移相20 ，需采用，需采用曲折接法曲折接法。 整流電壓整流電壓ud在每個電源周期內(nèi)脈動在每個電源周期內(nèi)脈動18次，故此電路為次，故此電路為18脈波整流電路脈波整流電路。 交流側(cè)輸入電流諧波更少，為交流側(cè)輸入電流諧波更

14、少，為18k1次次（k=1, 2, 3），），ud的脈動也更小。的脈動也更小。 輸入位移因數(shù)和功率因數(shù)分別為：輸入位移因數(shù)和功率因數(shù)分別為：cos 1=cos =0.9949cos 將整流變壓器的二次繞組移相將整流變壓器的二次繞組移相15 ，可構(gòu)成，可構(gòu)成串聯(lián)串聯(lián)4重聯(lián)結(jié)電路重聯(lián)結(jié)電路 為為24脈波整流電路脈波整流電路。 其交流側(cè)輸入電流諧波次為其交流側(cè)輸入電流諧波次為24k1，k=1，2，3。 輸入位移因數(shù)功率因數(shù)分別為：輸入位移因數(shù)功率因數(shù)分別為：cos 1=cos =0.9971cos 采用多重聯(lián)結(jié)的方法并不能提高采用多重聯(lián)結(jié)的方法并不能提高位移因數(shù)位移因數(shù)，但可使，但可使輸入電流諧波輸

15、入電流諧波大幅減小，大幅減小，從而也可以在一定程度上提高從而也可以在一定程度上提高功率因數(shù)功率因數(shù)。串聯(lián)多重聯(lián)結(jié)電路的順序控制串聯(lián)多重聯(lián)結(jié)電路的順序控制 2）PWM整流技術(shù)：整流技術(shù)： 采用采用PWM控制方式和全控型器件組成的整流電路，屬于控制方式和全控型器件組成的整流電路，屬于高頻整流電路高頻整流電路。用來解決傳統(tǒng)用來解決傳統(tǒng)低頻整流電路低頻整流電路存在的功率因數(shù)低、諧波大、響應(yīng)慢等問題。存在的功率因數(shù)低、諧波大、響應(yīng)慢等問題。 其主電路結(jié)構(gòu)與逆變電路十分相似，逆變電路的控制方法和控制技術(shù)在其主電路結(jié)構(gòu)與逆變電路十分相似，逆變電路的控制方法和控制技術(shù)在PWM整流電路中用法基本相同。整流電路中

16、用法基本相同。PWM整流將成為整流電路的主流。整流將成為整流電路的主流。7. PWM整流電路的分類：整流電路的分類：1）按變流方式：直接式電路；間接式電路。）按變流方式：直接式電路；間接式電路。2）按主電路結(jié)構(gòu)：橋式電路（全橋、半橋）；復合電路。）按主電路結(jié)構(gòu)：橋式電路（全橋、半橋）；復合電路。3）按電網(wǎng)相數(shù)：單相電路；三相及多相電路。）按電網(wǎng)相數(shù)：單相電路；三相及多相電路。4）按輸入輸出間耦合方式：直耦式電路；磁耦式電路。）按輸入輸出間耦合方式：直耦式電路；磁耦式電路。5）按工作范圍：單象限電路；多象限電路。）按工作范圍：單象限電路；多象限電路。6）按輸出濾波：電壓型電路；電流型電路。）按輸

17、出濾波：電壓型電路；電流型電路。7）按輸出電壓：低壓電路；中高壓電路。）按輸出電壓：低壓電路；中高壓電路。8）按器件開關(guān)方式：硬開關(guān)電路；軟開關(guān)電路。）按器件開關(guān)方式：硬開關(guān)電路；軟開關(guān)電路。9）按直流中點形式：鉗位式電路；無鉗位式電路。）按直流中點形式：鉗位式電路；無鉗位式電路。 通常中、大功率通常中、大功率整流電路整流電路（REC：Rectifiers）采用單相或三相橋式電路結(jié)構(gòu)；）采用單相或三相橋式電路結(jié)構(gòu)；小功率整流電路多采用單相不可控整流加一級直流變換電路實現(xiàn)小功率整流電路多采用單相不可控整流加一級直流變換電路實現(xiàn)網(wǎng)測功率因數(shù)校正網(wǎng)測功率因數(shù)校正（PFC：Power Factor C

18、orrection）。）。 橋式電路中，根據(jù)橋側(cè)相電壓對負載側(cè)直流中點的電平數(shù)，可分為兩電平、多電橋式電路中，根據(jù)橋側(cè)相電壓對負載側(cè)直流中點的電平數(shù)，可分為兩電平、多電平電路；中、低壓下采用前者，高壓下采用直流中點鉗位的平電路；中、低壓下采用前者，高壓下采用直流中點鉗位的PWM整流電路（整流電路（NPC-PWM REC：Neutral Point Clamped PWM REC）。）。 直耦式電路整流輸出與電網(wǎng)無電隔離能力；磁耦式電路通過輸入或輸出變壓器與直耦式電路整流輸出與電網(wǎng)無電隔離能力；磁耦式電路通過輸入或輸出變壓器與電網(wǎng)實現(xiàn)電隔離，輸入端隔離采用工頻變壓器，多用于大功率場合，輸出端隔離

19、采用電網(wǎng)實現(xiàn)電隔離，輸入端隔離采用工頻變壓器，多用于大功率場合，輸出端隔離采用高頻變壓器，多用于小功率場合。高頻變壓器，多用于小功率場合。 整流電路應(yīng)用廣泛，電壓范圍從幾千伏整流電路應(yīng)用廣泛，電壓范圍從幾千伏-幾伏，電路拓撲結(jié)構(gòu)不同，高壓領(lǐng)域幾伏，電路拓撲結(jié)構(gòu)不同，高壓領(lǐng)域采用采用NPC結(jié)構(gòu)，低壓下采用同步整流結(jié)構(gòu)（結(jié)構(gòu)，低壓下采用同步整流結(jié)構(gòu)（SYREC：Synchronous Rectifiers）。）。 單象限電路，電能流傳為電網(wǎng)到負載的單方向；多象限電路中電能可在電網(wǎng)與負單象限電路，電能流傳為電網(wǎng)到負載的單方向；多象限電路中電能可在電網(wǎng)與負載間雙向流傳，電路為雙向電路。載間雙向流傳，電

20、路為雙向電路。 間接式整流電路中間有高頻交流環(huán)節(jié)，也稱高頻鏈整流電路；相反則稱為直接式間接式整流電路中間有高頻交流環(huán)節(jié)，也稱高頻鏈整流電路；相反則稱為直接式整流電路。整流電路。同步倍流式整流電路同步倍流式整流電路全波零式同步整流電路全波零式同步整流電路含含Boost APFC的的PWM整流電路整流電路單相電壓型單相電壓型PWM整流電路整流電路三相電壓型三相電壓型PWM整流電路整流電路中點鉗位式三相電壓型中點鉗位式三相電壓型PWM整流電路整流電路 5.2 低壓大電流高頻整流電路低壓大電流高頻整流電路一、倍流整流電路一、倍流整流電路 在變壓器隔離的間接在變壓器隔離的間接DC/DC變變換中，中間交流

21、環(huán)節(jié)逆變電路開關(guān)換中，中間交流環(huán)節(jié)逆變電路開關(guān)頻率較高（頻率較高（20-300）kHz，輸出，輸出整流屬于高頻整流電路，傳統(tǒng)整流整流屬于高頻整流電路，傳統(tǒng)整流電路開關(guān)管損耗大，效率低。電路開關(guān)管損耗大，效率低。 低壓和高頻下，帶中心抽頭的低壓和高頻下，帶中心抽頭的變壓器制作不方便。變壓器制作不方便。 為簡化分析，假定：為簡化分析，假定： 1）輸出濾波電容）輸出濾波電容CO值很大，輸出電壓無紋波，值很大，輸出電壓無紋波，uo UO 2）濾波電感）濾波電感L1=L2=L，無內(nèi)阻且數(shù)值較大（，無內(nèi)阻且數(shù)值較大（電感電流連續(xù)電感電流連續(xù)）；）； 5.2 低壓大電流高頻整流電路低壓大電流高頻整流電路輸入

22、電壓輸入電壓us為：為：電路工作可分為電路工作可分為A,B,C三個時區(qū)：三個時區(qū)：1、時區(qū)、時區(qū)A：L1儲能，儲能，L2釋放能量釋放能量 5.2 低壓大電流高頻整流電路低壓大電流高頻整流電路2、時區(qū)、時區(qū)C：L2儲能，儲能，L1釋放能量釋放能量uL2 = us - Uo = USm - Uo= ULm 5.2 低壓大電流高頻整流電路低壓大電流高頻整流電路3、時區(qū)、時區(qū)B：L1L2釋放能量釋放能量 假定電感無內(nèi)阻，穩(wěn)態(tài)下，在一個周期內(nèi)假定電感無內(nèi)阻，穩(wěn)態(tài)下，在一個周期內(nèi)電流增量與電流減量相等：電流增量與電流減量相等：結(jié)論：結(jié)論：負載電流為濾波電感負載電流為濾波電感電流二倍。電流二倍。電感量小，導

23、線細。電感量小，導線細。二、同步整流電路二、同步整流電路 在輸出電壓很低時，二極管作為整流器件，其導通壓降引起的損耗太大，在輸出電壓很低時，二極管作為整流器件，其導通壓降引起的損耗太大，效率低。利用低壓功率效率低。利用低壓功率MOSFET作為整流器件，可以減小損耗，提高效率。作為整流器件，可以減小損耗，提高效率。自激式驅(qū)動：自激式驅(qū)動：柵極驅(qū)動電壓取自主電路；柵極驅(qū)動電壓取自主電路； 驅(qū)動簡單可靠，但驅(qū)動波形不理想；驅(qū)動簡單可靠，但驅(qū)動波形不理想；他激式驅(qū)動：他激式驅(qū)動：利用附加邏輯電路生成驅(qū)動信號；利用附加邏輯電路生成驅(qū)動信號； 驅(qū)動信號理想，但必須增加電路元件；驅(qū)動信號理想，但必須增加電路

24、元件；一般，工業(yè)上常用自激式驅(qū)動。一般，工業(yè)上常用自激式驅(qū)動。根據(jù)輸入電壓的正負半周對稱度，分為：根據(jù)輸入電壓的正負半周對稱度，分為：對稱型：對稱型：如半橋、全橋和推挽式電路輸出電壓如半橋、全橋和推挽式電路輸出電壓非對稱型：非對稱型：如正激、反激式變換電路輸出電壓如正激、反激式變換電路輸出電壓 5.2 低壓大電流高頻整流電路低壓大電流高頻整流電路 5.2 低壓大電流高頻整流電路低壓大電流高頻整流電路將將uS1整流得到驅(qū)動信號整流得到驅(qū)動信號u1和和u2，但驅(qū)動，但驅(qū)動信號在信號在uS1=0時，同時為零，時，同時為零，MOSFET截止，截止，VD1、VD2導通，電路損耗大。導通，電路損耗大。ug

25、1ug2ug1ug2將信號將信號u1和和u2取反，送給取反，送給MOSFET作為作為驅(qū)動信號，可以消除零柵壓區(qū)，二極管驅(qū)動信號，可以消除零柵壓區(qū)，二極管VD1、VD2不再導通，驅(qū)動波形理想。不再導通，驅(qū)動波形理想。 5.2 低壓大電流高頻整流電路低壓大電流高頻整流電路1、同步倍流整流電路、同步倍流整流電路小型倍流整流電路，附加繞組小型倍流整流電路，附加繞組N3提供匹提供匹配的驅(qū)動電壓；配的驅(qū)動電壓；LS為變壓器漏感，要求為變壓器漏感，要求盡量小，可采用盡量小，可采用交叉繞制交叉繞制或或立繞立繞方式。方式。VF2倒置使用，電流由源極流向漏極；倒置使用，電流由源極流向漏極；2、全波同步整流電路、全

26、波同步整流電路 5.2 低壓大電流高頻整流電路低壓大電流高頻整流電路3、非對稱型同步整流電路（略）、非對稱型同步整流電路（略）PFC技術(shù)發(fā)展技術(shù)發(fā)展-APFC技術(shù)（有源功率因數(shù)校正）技術(shù)（有源功率因數(shù)校正）對大功率裝置，對大功率裝置，APFC技術(shù)要求功率因數(shù)技術(shù)要求功率因數(shù) = 1 ；對小功率裝置，要求對小功率裝置，要求 = 1 時，產(chǎn)品性價比太低，按照時，產(chǎn)品性價比太低，按照IEC-1000-3-2D類設(shè)類設(shè)備要求，只限制網(wǎng)側(cè)電流的諧波含量，不要求無諧波。因此符合備要求，只限制網(wǎng)側(cè)電流的諧波含量，不要求無諧波。因此符合IEC標準，標準，采用簡單廉價的方案可以降低設(shè)備成本，提高產(chǎn)品的市場競爭力

27、。采用簡單廉價的方案可以降低設(shè)備成本，提高產(chǎn)品的市場競爭力。 5.3 電壓型單相單管電壓型單相單管PWM整流電路整流電路1）兩級結(jié)構(gòu)：前級）兩級結(jié)構(gòu)：前級PFC電路（采用電路（采用Boost電路）完成電壓粗調(diào)，實現(xiàn)網(wǎng)側(cè)電路）完成電壓粗調(diào)，實現(xiàn)網(wǎng)側(cè)電流正弦化；后級電流正弦化；后級DC/DC變換電路，進行電壓細調(diào)；變換電路，進行電壓細調(diào)；優(yōu)點：性能高（功率因數(shù)高、精度高、調(diào)節(jié)速度快），結(jié)構(gòu)相對簡單，技優(yōu)點：性能高（功率因數(shù)高、精度高、調(diào)節(jié)速度快），結(jié)構(gòu)相對簡單，技 術(shù)成熟；術(shù)成熟；缺點：整機效率低、性價比低，多用于精密儀器電源；缺點：整機效率低、性價比低，多用于精密儀器電源； 5.3 電壓型單相單

28、管電壓型單相單管PWM整流電路整流電路2）單級結(jié)構(gòu)：將兩級變換合并為一級）單級結(jié)構(gòu)：將兩級變換合并為一級單級單管電路（單級單管電路（S4或或4S電路）電路） 多用于計算機、家電設(shè)備等電源，性價比和效率較高。多用于計算機、家電設(shè)備等電源，性價比和效率較高。應(yīng)用較廣應(yīng)用較廣有電隔離能力有電隔離能力Boost電路：輸入電流近似正弦，輸出端電壓恒定；電路：輸入電流近似正弦，輸出端電壓恒定；Buck電路：輸入電容電壓近似正弦，輸出電流恒定；電路：輸入電容電壓近似正弦，輸出電流恒定；電流連續(xù)工作模式電流連續(xù)工作模式電流斷續(xù)工作模式電流斷續(xù)工作模式電流臨界連續(xù)工作模式電流臨界連續(xù)工作模式一、含一、含Boos

29、t APFC的的PWM整流電路整流電路 5.3 電壓型單相單管電壓型單相單管PWM整流電路整流電路1、電壓調(diào)節(jié)器、電壓調(diào)節(jié)器2、模擬乘法器、模擬乘法器3、電流調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器4、載波發(fā)生器、載波發(fā)生器5、SPWM信號比較器信號比較器6、驅(qū)動電路、驅(qū)動電路7、輸出電壓快速調(diào)節(jié)器、輸出電壓快速調(diào)節(jié)器控制電路控制電路以以Boost為核心的主電路為核心的主電路1、單相電壓型整流電路的理想狀態(tài)：、單相電壓型整流電路的理想狀態(tài)：假設(shè)：輸入電壓假設(shè)：輸入電壓uN為正弦，整流電路無損耗，輸出電壓為正弦，整流電路無損耗，輸出電壓Uo無紋波，無紋波， 網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)網(wǎng)側(cè)功率因數(shù) = 1 ，即：，即： 5.3 電壓

30、型單相單管電壓型單相單管PWM整流電路整流電路網(wǎng)側(cè)電流：網(wǎng)側(cè)電流：與網(wǎng)側(cè)電壓同相；與網(wǎng)側(cè)電壓同相；輸出電流：輸出電流：輸出功率瞬時值：輸出功率瞬時值：輸出功率平均值：輸出功率平均值：結(jié)論：為實現(xiàn)網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)結(jié)論：為實現(xiàn)網(wǎng)側(cè)功率因數(shù) = 1 ，理想狀態(tài)下，輸出電流，理想狀態(tài)下，輸出電流io為脈動電流，為脈動電流， 包含直流分量和二次諧波分量。包含直流分量和二次諧波分量。直流和二次諧波電流直流和二次諧波電流2、 Boost APFC的的PWM整流電路工作原理：整流電路工作原理： 在單相不控整流電路和負載電阻在單相不控整流電路和負載電阻之間插入之間插入Boost電路；在載波頻率足電路；在載波頻率足夠

31、高時，電感電流連續(xù)，電路工作在夠高時，電感電流連續(xù)，電路工作在CCM模式；各電量波形如圖：模式；各電量波形如圖： 5.3 電壓型單相單管電壓型單相單管PWM整流電路整流電路輸入電壓：輸入電壓：不控整流電路輸出電壓：不控整流電路輸出電壓：電感電壓：電感電壓：TC為控制周期，為控制周期，D為占空比；為占空比； 5.3 電壓型單相單管電壓型單相單管PWM整流電路整流電路電感電流變化率：電感電流變化率： 穩(wěn)態(tài)下，在電網(wǎng)的一個周期內(nèi)，電感電流的增量和減量相等，電網(wǎng)電壓低時，電穩(wěn)態(tài)下，在電網(wǎng)的一個周期內(nèi)，電感電流的增量和減量相等，電網(wǎng)電壓低時，電感電流上升率低，下降率高；電網(wǎng)電壓高時，電感電流上升率高，下

32、降率低；忽略電感電流上升率低，下降率高；電網(wǎng)電壓高時，電感電流上升率高，下降率低；忽略電路內(nèi)部損耗，在路內(nèi)部損耗，在CCM狀態(tài)下：狀態(tài)下：代入代入ud表達式可得：表達式可得：可以看出：要實現(xiàn)可以看出：要實現(xiàn)Boost APFC 條件，條件，D0必須為時變值，且按正弦絕對值變化，必須為時變值，且按正弦絕對值變化，因此控制電路采用因此控制電路采用SPWM控制方式，調(diào)制信號為：控制方式，調(diào)制信號為： 當當m增大時，增大時，D0增大，增大，D減小，輸出電壓升高。減小，輸出電壓升高。 5.3 電壓型單相單管電壓型單相單管PWM整流電路整流電路3、輸出電流、輸出電流io分析：（第分析：（第303頁）頁）4

33、、電路控制（略）：一般采用、電路控制（略）：一般采用AFPC專用控制芯片。專用控制芯片。 5.4 電壓型單相橋式電壓型單相橋式PWM整流電路整流電路 PWM整流電路具有以下優(yōu)良性能：整流電路具有以下優(yōu)良性能： 交流側(cè)輸入電流為正弦波；交流側(cè)輸入電流為正弦波； 功率因數(shù)可以控制為任意值；功率因數(shù)可以控制為任意值； 電能雙向傳輸，既可實現(xiàn)整流，也可實現(xiàn)逆變；電能雙向傳輸，既可實現(xiàn)整流，也可實現(xiàn)逆變； 閉環(huán)控制時具有較快的動態(tài)響應(yīng)；閉環(huán)控制時具有較快的動態(tài)響應(yīng)； 具有良好的穩(wěn)定直流電壓功能；具有良好的穩(wěn)定直流電壓功能； PWM整流電路應(yīng)用：整流電路應(yīng)用： 單相單相PWM整流電路用于電力機車和動力車的

34、交流機車電傳動系統(tǒng)；整流電路用于電力機車和動力車的交流機車電傳動系統(tǒng)； 當負載和電網(wǎng)電壓發(fā)生變化時，當負載和電網(wǎng)電壓發(fā)生變化時，PWM整流電路能維持直流中間電壓恒定，整流電路能維持直流中間電壓恒定， 改善逆變電路工作條件；改善逆變電路工作條件； 用于電動機調(diào)速，實現(xiàn)再生制動，節(jié)能；用于電動機調(diào)速，實現(xiàn)再生制動，節(jié)能； 用于各種電源，如用于各種電源，如UPS電源、蓄電池充放電電源等；電源、蓄電池充放電電源等； 功率器件：功率器件：GTO IGBTIGCT一、理想條件下的電路分析一、理想條件下的電路分析 5.4 電壓型單相橋式電壓型單相橋式PWM整流電路整流電路全橋全橋PWM整流電路整流電路半橋半

35、橋PWM整流電路整流電路假設(shè)：輸入電壓假設(shè)：輸入電壓uN為正弦，整流電路無損耗，輸出電壓為正弦，整流電路無損耗，輸出電壓Uo無紋波，無紋波， 網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)網(wǎng)側(cè)功率因數(shù) = 1 ，由前面推導結(jié)論：，由前面推導結(jié)論：輸出濾波電路：輸出濾波電路：L0和和C02組成串聯(lián)諧振濾波器，消組成串聯(lián)諧振濾波器，消除二次諧波，除二次諧波， C01用來濾除其他高用來濾除其他高頻諧波電流。頻諧波電流。LN平衡電路電壓、支撐無功功率、儲存能量；平衡電路電壓、支撐無功功率、儲存能量； 5.4 電壓型單相橋式電壓型單相橋式PWM整流電路整流電路假設(shè)：忽略假設(shè)：忽略LN和電網(wǎng)內(nèi)阻，和電網(wǎng)內(nèi)阻，rN=0整流橋輸入端電壓整流橋

36、輸入端電壓us波形由整流電路的橋臂開關(guān)狀態(tài)決定，若橋臂開關(guān)為波形由整流電路的橋臂開關(guān)狀態(tài)決定，若橋臂開關(guān)為S1S4，采，采用單極性用單極性PWM控制時：控制時：LN兩端電壓瞬時值為：兩端電壓瞬時值為：對基波分量有：對基波分量有： 5.4 電壓型單相橋式電壓型單相橋式PWM整流電路整流電路單極性單極性PWM 控制波形圖：控制波形圖：輸入回路電壓、電流矢量圖：輸入回路電壓、電流矢量圖： 5.4 電壓型單相橋式電壓型單相橋式PWM整流電路整流電路式中，式中，為為US1和和UN間的相位差；間的相位差；UN和和IN為電網(wǎng)電壓和電流的有效值；為電網(wǎng)電壓和電流的有效值；RN為交流為交流等效電阻。等效電阻。

37、.當忽略整流電路內(nèi)部損耗時：當忽略整流電路內(nèi)部損耗時：式中：式中：若串聯(lián)電感若串聯(lián)電感LN=0，則，則us=uN相位差為相位差為 =0，io始終大于始終大于0，無法實現(xiàn)功率因數(shù)調(diào)節(jié)；，無法實現(xiàn)功率因數(shù)調(diào)節(jié)； 5.4 電壓型單相橋式電壓型單相橋式PWM整流電路整流電路LN對于對于PWM電路是必不可少的元件，只有電路是必不可少的元件，只有LN大于大于0，能量才能實現(xiàn)雙向流動；，能量才能實現(xiàn)雙向流動；二、二、PWM整流電路的基本原理整流電路的基本原理LN+-uSiNuN+-uoio 5.4 電壓型單相橋式電壓型單相橋式PWM整流電路整流電路UN.US1.UL1.OABCDIN1.UN.US1.UL1

38、.OABCDIN1.UN.US1.UL1.OABCDIN1.UN.US1.UL1.OABCDIN1.純電感特性純電感特性正阻特性正阻特性 = 1 純電容特性純電容特性負阻特性負阻特性 = -1 5.4 電壓型單相橋式電壓型單相橋式PWM整流電路整流電路（1）電壓矢量端點在圓軌跡）電壓矢量端點在圓軌跡AB 上運動時，上運動時，PWM整流電路運行于整流狀態(tài)。整流電路運行于整流狀態(tài)。此時，此時，PWM整流電路需從電網(wǎng)吸收有功及感性無功功率，電能將通過整流電路需從電網(wǎng)吸收有功及感性無功功率，電能將通過PWM整流電路由電網(wǎng)傳輸至直流負載。當整流電路由電網(wǎng)傳輸至直流負載。當PWM整流電路運行在整流電路運行

39、在B點時，點時，則實現(xiàn)單位功率因數(shù)整流控制；而當在則實現(xiàn)單位功率因數(shù)整流控制；而當在A點運行時，點運行時，PWM整流電路則不從整流電路則不從電網(wǎng)吸收有功功率，而只從電網(wǎng)吸收感性無功功率。電網(wǎng)吸收有功功率，而只從電網(wǎng)吸收感性無功功率。（2）當電壓矢量端點在圓軌跡）當電壓矢量端點在圓軌跡BC上運動時，上運動時，PWM整流電路運行于整流狀整流電路運行于整流狀態(tài)。此時，態(tài)。此時，PWM整流電路需從電網(wǎng)吸收有功及容性無功功率，電能將通過整流電路需從電網(wǎng)吸收有功及容性無功功率，電能將通過PWM整流電路由電網(wǎng)傳輸至直流負載。當整流電路由電網(wǎng)傳輸至直流負載。當PWM整流電路運行至整流電路運行至C點時，點時，P

40、WM整流電路將不從電網(wǎng)吸收有功功率，而只從電網(wǎng)吸收容性無功功率。整流電路將不從電網(wǎng)吸收有功功率，而只從電網(wǎng)吸收容性無功功率。（3）當電壓矢量端點在圓軌跡）當電壓矢量端點在圓軌跡CD上運動時，上運動時，PWM整流電路運整流電路運行于有源逆行于有源逆變狀態(tài)。此時變狀態(tài)。此時PWM整流電路向電網(wǎng)傳輸有功及容性無功功率，電能將從整流電路向電網(wǎng)傳輸有功及容性無功功率，電能將從PWM整流電路直流側(cè)傳輸至電網(wǎng)。當整流電路直流側(cè)傳輸至電網(wǎng)。當PWM整流電路運行至整流電路運行至D點時，便可實點時，便可實現(xiàn)單位功率因數(shù)有源逆變控制?，F(xiàn)單位功率因數(shù)有源逆變控制。（4）當電壓矢量端點在圓軌跡）當電壓矢量端點在圓軌跡D

41、A上運動時，上運動時，PWM整流電路運行于有源逆整流電路運行于有源逆變狀態(tài)。此時，變狀態(tài)。此時，PWM整流電路向電網(wǎng)傳輸有功和感性無功功率，電能將從整流電路向電網(wǎng)傳輸有功和感性無功功率，電能將從PWM整流電路直流側(cè)傳輸至電網(wǎng)。整流電路直流側(cè)傳輸至電網(wǎng)。 三、實際條件下的電路分析三、實際條件下的電路分析1、電路的工作模式（、電路的工作模式（ = 1） 5.4 電壓型單相橋式電壓型單相橋式PWM整流電路整流電路1）工作模式）工作模式： Sa置置1（4），），Sb置置2（3）；）； iN 0和和iN 0iN0，導通情況如右圖，導通情況如右圖c， LN 處于處于釋能狀態(tài)，協(xié)助電網(wǎng)向負載供電，可使釋能狀

42、態(tài)，協(xié)助電網(wǎng)向負載供電，可使輸出電壓高于電網(wǎng)電壓（升壓功能）輸出電壓高于電網(wǎng)電壓（升壓功能） us=UO； io 0io0，導通情況如右圖，導通情況如右圖d， LN 處于處于釋能狀態(tài)，協(xié)助電網(wǎng)向負載供電，可使釋能狀態(tài)，協(xié)助電網(wǎng)向負載供電，可使輸出電壓高于電網(wǎng)電壓（升壓功能）輸出電壓高于電網(wǎng)電壓（升壓功能） us= - UO； io 0io0 5.4 電壓型單相橋式電壓型單相橋式PWM整流電路整流電路2、 = 1時電路工作過程分析時電路工作過程分析如圖：如圖：K=5，m=0.8， =45o，電源電壓和電流同相時電量波形：電源電壓和電流同相時電量波形：（見第（見第315頁）頁）該電路為單極倍頻工作

43、方式；該電路為單極倍頻工作方式；輸出電壓：輸出電壓：3、負載電阻變化和電網(wǎng)電壓變化時的穩(wěn)壓特性分析、負載電阻變化和電網(wǎng)電壓變化時的穩(wěn)壓特性分析 5.4 電壓型單相橋式電壓型單相橋式PWM整流電路整流電路a）圖，負載電阻減小時，穩(wěn)壓特性矢量關(guān)系圖；）圖，負載電阻減小時，穩(wěn)壓特性矢量關(guān)系圖；b）圖，電網(wǎng)電壓增大時，穩(wěn)壓特性矢量關(guān)系圖；）圖，電網(wǎng)電壓增大時，穩(wěn)壓特性矢量關(guān)系圖；4、網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)、網(wǎng)側(cè)功率因數(shù) = - 1時的電路分析時的電路分析 5.4 電壓型單相橋式電壓型單相橋式PWM整流電路整流電路2、 = - 1時電路工作過程分析時電路工作過程分析如圖：如圖：K=5，m=0.8， =45o，電源

44、電壓和電流反相時電量波形：電源電壓和電流反相時電量波形：（見第（見第320頁）頁） 5.4 電壓型單相橋式電壓型單相橋式PWM整流電路整流電路四、電路的控制四、電路的控制1、控制要求：、控制要求：（1） = 1 或或 = - 1；（；（2）調(diào)節(jié)輸出電壓）調(diào)節(jié)輸出電壓UO；（；（3）穩(wěn)定輸出電壓）穩(wěn)定輸出電壓UO；（4）實現(xiàn)電流雙象限運行；）實現(xiàn)電流雙象限運行；2、控制策略：、控制策略：（1）間接控制：幅相控制，不直接控制網(wǎng)側(cè)電流，通過對）間接控制：幅相控制，不直接控制網(wǎng)側(cè)電流，通過對us的基波分量的基波分量 us1的幅值和相位進行控制，間接實現(xiàn)對的幅值和相位進行控制，間接實現(xiàn)對iN的控制。的控制。 缺點：動態(tài)響應(yīng)慢，受系統(tǒng)參數(shù)影響大；缺點：動態(tài)響應(yīng)慢，受系統(tǒng)參數(shù)影響大； （2）直接控制：直接對電流進行控制；如：滯環(huán)跟蹤控制，矢量控制等。）直接控制：直接對電流進行控制；如：滯環(huán)跟蹤控制，矢量控制等。3、采用幅相控制策略的單相、采用幅相控制策略的單相SPWM整流電路（整流電路（323頁）頁）