高頻PWM整流器課件

高頻PWM整流器ppt高頻PWM整流器ppt1

第6章（3）高頻PWM整流器1、含有源功率因數(shù)校正的單相整流器1、1諧波電流的危害及改善措施（1）單相整流器是應(yīng)用極為廣泛的一種電力電子變換器。其電路有兩點(diǎn)：◆單相不控制整流電路◆單相可控制整流電路圖5-30第6章（3）高頻PWM整流器2

其主要缺點(diǎn)：◆輸入交流電流is波形嚴(yán)重畸變，呈脈沖狀。（2）諧波電流對(duì)電網(wǎng)有嚴(yán)重的危害作用：◆諧波電流流過線路阻抗造成諧波電壓降，使電網(wǎng)電壓發(fā)生畸變。

◆諧波電流使線路和配電變壓器發(fā)熱，損壞電器設(shè)備。

◆諧波電流會(huì)引起電網(wǎng)LC諧振。

◆相控整流諧波電流使交流輸入端功率因數(shù)下降，功耗加大，效率降低。

其主要缺點(diǎn)：3

（3）改善措施：①附加無源濾波器◆在整流器和電容之間串入一個(gè)濾波電感，減小電流脈沖成份。

◆在交流側(cè)并聯(lián)接入諧振濾波器，使ic的諧波電流經(jīng)LC諧波器濾掉而不進(jìn)入交流電源。

◆無源LC濾波器優(yōu)點(diǎn)：

簡(jiǎn)單

成本低

可靠性高

電磁干擾EMI小

（3）改善措施：4

缺點(diǎn)：

體積、重量大

難以得到高功率因數(shù)

工作性能與頻率，負(fù)載變化及輸入電壓變化有關(guān)

電感與電容間有較大的充放電電流，并可能引發(fā)電路L、C諧振。②附加有源功率因數(shù)校正器或采用高頻PWM整流◆在整流器和電容之間接入一個(gè)DC-DC開關(guān)變換器，應(yīng)用電流反饋技術(shù)，使輸入端電流is波形跟蹤交流輸入正弦電壓波形，可以使is接近正弦并與vs同相。使輸入端總諧波畸變率THD小于5%，功率因數(shù)可提高到0.99或更高。缺點(diǎn)：5

優(yōu)點(diǎn)：

體積小、重量??；

輸出電壓也可以保持恒定，或調(diào)控為指令值。

缺點(diǎn)：

電能只能從交流電源流向直流側(cè)負(fù)載

應(yīng)用：

AC-DC開關(guān)電源，交流不間斷電源（UPS），熒光電子鎮(zhèn)流器及其他電子儀器中。優(yōu)點(diǎn)：6

1、2含Boost型功率因數(shù)校正器的高頻整流器（1）結(jié)構(gòu)原理：圖5-31（a)電路①主電路：由單相橋式不控整流器和DC-DCBoost變換器組成。②控制電路：由電壓誤差放大器VA，電流誤差放大器CA，乘法器和驅(qū)動(dòng)器組成。1、2含Boost型功率因數(shù)校正器的高頻整流器7

圖5-31（a)電路（2）APFC的工作原理◆外環(huán)電壓閉環(huán)控制：自動(dòng)保持輸出電壓V0恒定為指令值

◆內(nèi)環(huán)電流閉環(huán)控制：自動(dòng)調(diào)節(jié)電流ic=is跟蹤指值ir

8

ir=K.vdc=Kvs

K為電壓放大器的輸出量其波形與交流電壓vs相同即指令電流值ir是與交流電源vs同相位的正弦波

所以輸入電流is(iL)的波形與交流電源電壓vs的波形同相，輸入端功率因素接近于1。ir=K.vdc=Kvs9

◆波形分析：輸入電流被高頻PWM調(diào)制，使脈沖波形調(diào)制成接近正弦波。

圖5-31(b)輸入iL、iS波形和輸入電壓vdc、vs波形◆波形分析：10

（3）APFC的主要優(yōu)點(diǎn)：◆輸入電流連續(xù)，電磁干擾EMI小，無線電頻率干擾RFI低；

◆有輸入電感L，可減少對(duì)輸入濾波器的要求，并可防止電網(wǎng)對(duì)主電路高頻瞬態(tài)沖擊。

◆開關(guān)器件T的電壓不超過輸出電壓值；

◆容易驅(qū)動(dòng)開關(guān)器件，其參數(shù)端點(diǎn)的電位為OV（3）APFC的主要優(yōu)點(diǎn)：11

缺點(diǎn)：◆輸入輸出間無絕緣。1、3帶反饋式功率因數(shù)校正器的高頻整流器

（1）原理結(jié)構(gòu)：圖5-32缺點(diǎn)：12

◆反激電路中的變壓器起著儲(chǔ)能元件的作用

控制電路：

電壓閉環(huán)控制，電壓調(diào)節(jié)器VA為PI，輸出值為

△V

。

PWM形成電路根據(jù)△V

的大小產(chǎn)生脈變寬驅(qū)動(dòng)信號(hào)?！舴醇る娐分械淖儔浩髌鹬鴥?chǔ)能元件的作用13

（2）工作原理：

當(dāng)開關(guān)管T導(dǎo)通，i1由零上升到ip,電感儲(chǔ)能，變壓器二次側(cè)二極管阻斷，i0=0

當(dāng)開關(guān)管T截止，i1=0，D導(dǎo)通，i2=i0向電容充電，并向負(fù)載供電，i2線性下降至零，電感

L2釋放磁能。

T的驅(qū)動(dòng)由PWM形成電路產(chǎn)生。輸出電壓由VA構(gòu)成電壓閉環(huán)控制自動(dòng)維持恒定。（2）工作原理：14

◆電流峰值ip的大小與開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間ton和直流電壓瞬時(shí)值vdc=vs的乘積成正比。∴

is與vs瞬時(shí)值成正比。由脈動(dòng)頻率很高，峰值ip及其平均值都正比于該瞬間的正弦電壓瞬值，經(jīng)較小的L.C濾波后則is變?yōu)榕c電源電壓vs同相的正弦電流is

◆電流峰值ip的大小與開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間ton和直流電壓瞬時(shí)值v15

結(jié)論：前述單相PWM整流器：

有功率因數(shù)校正

無能量回饋工作2、三相高頻PWM整流2、1能量可回饋的高頻PWM整流電路（1）能量可回饋PWM整器電路的特點(diǎn)

◆整流器采用全控型半導(dǎo)體開關(guān)器件

◆可控輸入電流為正弦，且與輸入電壓同相位，功率因數(shù)近似為1（也可以為任意值）

◆可實(shí)現(xiàn)交直流側(cè)的雙向能量流動(dòng)。

結(jié)論：16

（2）PWM整流器拓樸結(jié)構(gòu)◆單相半橋電壓型PWM整流器

◆單相全橋電壓型PWM整流器升壓型

圖：5-33圖：5-34（2）PWM整流器拓樸結(jié)構(gòu)17∴is與vs瞬時(shí)值成正比。圖5-35三相電壓型PWM整流器◆故只要對(duì)T1-T6進(jìn)行SPWM控制，控制變壓器交流側(cè)各相SPWM脈波電壓via、vib、vic，即控制矢量圖5-35三相電壓型PWM整流器①輸出直流電壓平穩(wěn)且可以迅速地調(diào)節(jié)控制。③令相位角為δ的電壓Vi為三相SPWM調(diào)制正弦參考電壓產(chǎn)生6個(gè)開關(guān)器件的通斷信號(hào)，輸出所需的交流電壓◆電流峰值ip的大小與開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間ton和直流電壓瞬時(shí)值vdc=vs的乘積成正比。變換器交流輸入端交流相電壓為圖5-35圖5-362、1能量可回饋的高頻PWM整流電路圖5-30AC/DC整流電路

◆三相電壓型PWM整流器◆三相電流型PWM整流器（降壓型）

圖5-35圖5-36∴is與vs瞬時(shí)值成正比?！羧嚯妷盒蚉WM整流器18

①由于輸出電感的存在，沒有橋臂直通過流和輸出缺路的問題。

◆電流型整流器通常要經(jīng)過LC濾波器再和電網(wǎng)聯(lián)接，

◆直流側(cè)的平波電感和交流側(cè)LC濾波器的重量、體積都比較大。①由于輸出電感的存在，沒有橋臂直通過流和輸出缺路的問題。19

②電流型PWM整流器應(yīng)用不廣泛的原因

電流型整流器輸出電感的體積、重量和損耗比較大

常用的現(xiàn)代全控器件IGBT，P-MOSFET都是有反并聯(lián)二極管反向自然導(dǎo)通的開關(guān)器件，為防止電流反方向流動(dòng)而必須再串聯(lián)一個(gè)二極管，因此，主電路構(gòu)成不方便，且通態(tài)損耗大。②電流型PWM整流器應(yīng)用不廣泛的原因20

2、2交流直流雙向變換器工作原理（1）三相大功率相控整流器主要缺點(diǎn)；①對(duì)公用交流電網(wǎng)產(chǎn)生大量諧波電流并在電網(wǎng)中引起諧波電壓②深控狀態(tài)（α角大VD低）時(shí)，整流裝置的功率因數(shù)隨α的減小急劇減小2、2交流直流雙向變換器工作原理21

（2）理想的交流直流雙向變換器特點(diǎn)①輸出直流電壓平穩(wěn)且可以迅速地調(diào)節(jié)控制。②輸入的交流電源電流波形正弦化。③輸入的交流電流的功率因數(shù)可控制為任意指令值。④交流-直流之間的功率流向可以是雙向可控的，即可實(shí)現(xiàn)整流，也可實(shí)現(xiàn)逆變。⑤變換器無損耗。（2）理想的交流直流雙向變換器特點(diǎn)22

（3）工作原理

圖5-37（a)

（3）工作原理23

式中：Vs為交流電源相電壓有效值

Is是交流電源流入雙向變換器的電流有效值

24

變換器交流輸入端交流相電壓為則理想的三相橋變換器交流側(cè)相電壓應(yīng)是：

變換器交流輸入端交流相電壓為25

則電壓、電流矢量關(guān)系為：

PWM整流電路的運(yùn)行方式相量圖

（圖5-37（b))（圖5-37（C))則電壓、電流矢量關(guān)系為：（圖5-37（C))26

①◆由此可知d·Us·UL·UR·UAB·Is············①◆由此可知d·Us·UL·UR·UAB·Is·····27

②③④d·Us·UR·UAB·IsULd·UsUR·UAB·Is·ULjd·Us·UR·UAB·Is·UL②d·Us·UR·UAB·IsULd·UsUR·UAB·I28

◆◆29

30

定義：

31

∴結(jié)論：

∴32

2、3三相電壓型高頻PWM整流控制系統(tǒng)圖5-38（a)電路

圖5-38（d)控制系統(tǒng)原理圖2、3三相電壓型高頻PWM整流控制系統(tǒng)33

1、工作原理分析◆設(shè)三相電壓型變換器T1-T6SPWM控制的調(diào)制參考波頻率fr等于交流電源vsa、

vsb、vsb的頻率fs，則via、vib、vic中的基波頻率f1就是交流電源頻率

fs。而諧波頻率由高頻載波頻率fc決定。

圖5-38基波等值電路見（b)諧波等值電路（c)1、工作原理分析34

◆故只要對(duì)

T1-T6進(jìn)行SPWM控制，控制變壓器交流側(cè)各相SPWM脈波電壓via、vib、vic，即控制矢量◆故只要對(duì)T1-T6進(jìn)行SPWM控制，控制變壓器交流側(cè)35

2、控制過程分析：①整流電壓VD的控制:

引入電壓V0的負(fù)反饋，形成電壓反饋閉環(huán)控制，自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出直流電壓V0為要求值，電壓調(diào)節(jié)器采用PI。②電壓調(diào)節(jié)器的輸出作為有功電流指令值根據(jù)要求的功率因數(shù)φ，計(jì)算可得：

2、控制過程分析：36

③令相位角為δ

的電壓Vi為三相SPWM調(diào)制正弦參考電壓產(chǎn)生6個(gè)開關(guān)器件的通斷信號(hào)，輸出所需的交流電壓

37

④

38

圖5-30AC/DC整流電路圖5-30AC/DC整流電路39

圖5-31（a)電路圖5-31（a)電路40

圖5-31(b)輸入iL、is波形和輸入電壓vdc、vs波形圖5-31(b)輸入iL、is波形和輸入電壓vd41

圖5-32帶反激式功率校正器環(huán)節(jié)的高頻整流器圖5-32帶反激式功率校正器環(huán)節(jié)的高頻整流器42

圖5-33單相半波整流器圖5-33單相半波整流器43

圖5-34單相全橋整流器圖5-34單相全橋整流器44

圖5-35三相電壓型PWM整流器圖5-35三相電壓型PWM整流器45

圖5-36三相電流型PWM整流器圖5-36三相電流型PWM整流器46

圖5-37（a)電路圖5-37（a)電路47

圖5-37（b)R≠0

矢量圖圖5-37（b)R≠0矢量圖48

圖5-37（c)R=0矢量圖圖5-37（c)R=0矢量圖49

圖5-38（a）電路圖5-38（a）電路50

圖5-38(d)控制系統(tǒng)原理圖圖5-38(d)控制系統(tǒng)原理圖51身體健康，學(xué)習(xí)進(jìn)步！身體健康，高頻PWM整流器ppt高頻PWM整流器ppt53

第6章（3）高頻PWM整流器1、含有源功率因數(shù)校正的單相整流器1、1諧波電流的危害及改善措施（1）單相整流器是應(yīng)用極為廣泛的一種電力電子變換器。其電路有兩點(diǎn)：◆單相不控制整流電路◆單相可控制整流電路圖5-30第6章（3）高頻PWM整流器54

其主要缺點(diǎn)：◆輸入交流電流is波形嚴(yán)重畸變，呈脈沖狀。（2）諧波電流對(duì)電網(wǎng)有嚴(yán)重的危害作用：◆諧波電流流過線路阻抗造成諧波電壓降，使電網(wǎng)電壓發(fā)生畸變。

◆諧波電流使線路和配電變壓器發(fā)熱，損壞電器設(shè)備。

◆諧波電流會(huì)引起電網(wǎng)LC諧振。

◆相控整流諧波電流使交流輸入端功率因數(shù)下降，功耗加大，效率降低。

其主要缺點(diǎn)：55

（3）改善措施：①附加無源濾波器◆在整流器和電容之間串入一個(gè)濾波電感，減小電流脈沖成份。

◆在交流側(cè)并聯(lián)接入諧振濾波器，使ic的諧波電流經(jīng)LC諧波器濾掉而不進(jìn)入交流電源。

◆無源LC濾波器優(yōu)點(diǎn)：

簡(jiǎn)單

成本低

可靠性高

電磁干擾EMI小

（3）改善措施：56

缺點(diǎn)：

體積、重量大

難以得到高功率因數(shù)

工作性能與頻率，負(fù)載變化及輸入電壓變化有關(guān)

電感與電容間有較大的充放電電流，并可能引發(fā)電路L、C諧振。②附加有源功率因數(shù)校正器或采用高頻PWM整流◆在整流器和電容之間接入一個(gè)DC-DC開關(guān)變換器，應(yīng)用電流反饋技術(shù)，使輸入端電流is波形跟蹤交流輸入正弦電壓波形，可以使is接近正弦并與vs同相。使輸入端總諧波畸變率THD小于5%，功率因數(shù)可提高到0.99或更高。缺點(diǎn)：57

優(yōu)點(diǎn)：

體積小、重量??；

輸出電壓也可以保持恒定，或調(diào)控為指令值。

缺點(diǎn)：

電能只能從交流電源流向直流側(cè)負(fù)載

應(yīng)用：

AC-DC開關(guān)電源，交流不間斷電源（UPS），熒光電子鎮(zhèn)流器及其他電子儀器中。優(yōu)點(diǎn)：58

1、2含Boost型功率因數(shù)校正器的高頻整流器（1）結(jié)構(gòu)原理：圖5-31（a)電路①主電路：由單相橋式不控整流器和DC-DCBoost變換器組成。②控制電路：由電壓誤差放大器VA，電流誤差放大器CA，乘法器和驅(qū)動(dòng)器組成。1、2含Boost型功率因數(shù)校正器的高頻整流器59

圖5-31（a)電路（2）APFC的工作原理◆外環(huán)電壓閉環(huán)控制：自動(dòng)保持輸出電壓V0恒定為指令值

◆內(nèi)環(huán)電流閉環(huán)控制：自動(dòng)調(diào)節(jié)電流ic=is跟蹤指值ir

60

ir=K.vdc=Kvs

K為電壓放大器的輸出量其波形與交流電壓vs相同即指令電流值ir是與交流電源vs同相位的正弦波

所以輸入電流is(iL)的波形與交流電源電壓vs的波形同相，輸入端功率因素接近于1。ir=K.vdc=Kvs61

◆波形分析：輸入電流被高頻PWM調(diào)制，使脈沖波形調(diào)制成接近正弦波。

圖5-31(b)輸入iL、iS波形和輸入電壓vdc、vs波形◆波形分析：62

（3）APFC的主要優(yōu)點(diǎn)：◆輸入電流連續(xù)，電磁干擾EMI小，無線電頻率干擾RFI低；

◆有輸入電感L，可減少對(duì)輸入濾波器的要求，并可防止電網(wǎng)對(duì)主電路高頻瞬態(tài)沖擊。

◆開關(guān)器件T的電壓不超過輸出電壓值；

◆容易驅(qū)動(dòng)開關(guān)器件，其參數(shù)端點(diǎn)的電位為OV（3）APFC的主要優(yōu)點(diǎn)：63

缺點(diǎn)：◆輸入輸出間無絕緣。1、3帶反饋式功率因數(shù)校正器的高頻整流器

（1）原理結(jié)構(gòu)：圖5-32缺點(diǎn)：64

◆反激電路中的變壓器起著儲(chǔ)能元件的作用

控制電路：

電壓閉環(huán)控制，電壓調(diào)節(jié)器VA為PI，輸出值為

△V

。

PWM形成電路根據(jù)△V

的大小產(chǎn)生脈變寬驅(qū)動(dòng)信號(hào)。◆反激電路中的變壓器起著儲(chǔ)能元件的作用65

（2）工作原理：

當(dāng)開關(guān)管T導(dǎo)通，i1由零上升到ip,電感儲(chǔ)能，變壓器二次側(cè)二極管阻斷，i0=0

當(dāng)開關(guān)管T截止，i1=0，D導(dǎo)通，i2=i0向電容充電，并向負(fù)載供電，i2線性下降至零，電感

L2釋放磁能。

T的驅(qū)動(dòng)由PWM形成電路產(chǎn)生。輸出電壓由VA構(gòu)成電壓閉環(huán)控制自動(dòng)維持恒定。（2）工作原理：66

◆電流峰值ip的大小與開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間ton和直流電壓瞬時(shí)值vdc=vs的乘積成正比。∴

is與vs瞬時(shí)值成正比。由脈動(dòng)頻率很高，峰值ip及其平均值都正比于該瞬間的正弦電壓瞬值，經(jīng)較小的L.C濾波后則is變?yōu)榕c電源電壓vs同相的正弦電流is

◆電流峰值ip的大小與開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間ton和直流電壓瞬時(shí)值v67

結(jié)論：前述單相PWM整流器：

有功率因數(shù)校正

無能量回饋工作2、三相高頻PWM整流2、1能量可回饋的高頻PWM整流電路（1）能量可回饋PWM整器電路的特點(diǎn)

◆整流器采用全控型半導(dǎo)體開關(guān)器件

◆可控輸入電流為正弦，且與輸入電壓同相位，功率因數(shù)近似為1（也可以為任意值）

◆可實(shí)現(xiàn)交直流側(cè)的雙向能量流動(dòng)。

結(jié)論：68

（2）PWM整流器拓樸結(jié)構(gòu)◆單相半橋電壓型PWM整流器

◆單相全橋電壓型PWM整流器升壓型

圖：5-33圖：5-34（2）PWM整流器拓樸結(jié)構(gòu)69∴is與vs瞬時(shí)值成正比。圖5-35三相電壓型PWM整流器◆故只要對(duì)T1-T6進(jìn)行SPWM控制，控制變壓器交流側(cè)各相SPWM脈波電壓via、vib、vic，即控制矢量圖5-35三相電壓型PWM整流器①輸出直流電壓平穩(wěn)且可以迅速地調(diào)節(jié)控制。③令相位角為δ的電壓Vi為三相SPWM調(diào)制正弦參考電壓產(chǎn)生6個(gè)開關(guān)器件的通斷信號(hào)，輸出所需的交流電壓◆電流峰值ip的大小與開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間ton和直流電壓瞬時(shí)值vdc=vs的乘積成正比。變換器交流輸入端交流相電壓為圖5-35圖5-362、1能量可回饋的高頻PWM整流電路圖5-30AC/DC整流電路

◆三相電壓型PWM整流器◆三相電流型PWM整流器（降壓型）

圖5-35圖5-36∴is與vs瞬時(shí)值成正比?！羧嚯妷盒蚉WM整流器70

①由于輸出電感的存在，沒有橋臂直通過流和輸出缺路的問題。

◆電流型整流器通常要經(jīng)過LC濾波器再和電網(wǎng)聯(lián)接，

◆直流側(cè)的平波電感和交流側(cè)LC濾波器的重量、體積都比較大。①由于輸出電感的存在，沒有橋臂直通過流和輸出缺路的問題。71

②電流型PWM整流器應(yīng)用不廣泛的原因

電流型整流器輸出電感的體積、重量和損耗比較大

常用的現(xiàn)代全控器件IGBT，P-MOSFET都是有反并聯(lián)二極管反向自然導(dǎo)通的開關(guān)器件，為防止電流反方向流動(dòng)而必須再串聯(lián)一個(gè)二極管，因此，主電路構(gòu)成不方便，且通態(tài)損耗大。②電流型PWM整流器應(yīng)用不廣泛的原因72

2、2交流直流雙向變換器工作原理（1）三相大功率相控整流器主要缺點(diǎn)；①對(duì)公用交流電網(wǎng)產(chǎn)生大量諧波電流并在電網(wǎng)中引起諧波電壓②深控狀態(tài)（α角大VD低）時(shí)，整流裝置的功率因數(shù)隨α的減小急劇減小2、2交流直流雙向變換器工作原理73

（2）理想的交流直流雙向變換器特點(diǎn)①輸出直流電壓平穩(wěn)且可以迅速地調(diào)節(jié)控制。②輸入的交流電源電流波形正弦化。③輸入的交流電流的功率因數(shù)可控制為任意指令值。④交流-直流之間的功率流向可以是雙向可控的，即可實(shí)現(xiàn)整流，也可實(shí)現(xiàn)逆變。⑤變換器無損耗。（2）理想的交流直流雙向變換器特點(diǎn)74

（3）工作原理

圖5-37（a)

（3）工作原理75

式中：Vs為交流電源相電壓有效值

Is是交流電源流入雙向變換器的電流有效值

76

變換器交流輸入端交流相電壓為則理想的三相橋變換器交流側(cè)相電壓應(yīng)是：

變換器交流輸入端交流相電壓為77

則電壓、電流矢量關(guān)系為：

PWM整流電路的運(yùn)行方式相量圖

（圖5-37（b))（圖5-37（C))則電壓、電流矢量關(guān)系為：（圖5-37（C))78

①◆由此可知d·Us·UL·UR·UAB·Is············①◆由此可知d·Us·UL·UR·UAB·Is·····79

②③④d·Us·UR·UAB·IsULd·UsUR·UAB·Is·ULjd·Us·UR·UAB·Is·UL②d·Us·UR·UAB·IsULd·UsUR·UAB·I80

◆◆81

82

定義：

83

∴結(jié)論：

∴84

2、3三相電壓型高頻PWM整流控制系統(tǒng)圖5-38（a)電路

圖5-38（d)控制系統(tǒng)原理圖2、3三相電壓型高頻PWM整流控制系統(tǒng)85

1、工作原理分析◆設(shè)三相電壓型變換器T1-T6SPWM控制的調(diào)制參考波頻率fr等于交流電源vsa、

vsb、vsb的頻率fs，則