第五章 PWM整流电路.

2020/1/24现代电力电子YWH11第五章现代整流电路本章概要1.现代整流电路概述2.低电压大电流高频整流电路3.电压型单相单管PWM整流电路4.电压型单相桥式PWM整流电路5.电压型三相桥式PWM整流电路2020/1/24现代电力电子YWH225.1现代整流电路概述整流电路的定义凡能直接将交流电能转换为直流电能的电路泛称为整流电路,在应用中构成直流电源装置.它的前端与公共交流电网相接,它的后端与(负载)相接.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。2020/1/24现代电力电子YWH33现代整流电路概述按照电路中器件开关频率的高低，所有半导体变流电路可分为低频和高频两大类，相控式电路属于低频电路，它是所有半导体变流电路中历史最长、技术最成熟且应用最广泛的一种电路；PWM整流电路属于高频电路，它是近年来才发展起来的现代整流电路，是PWM控制技术在整流领域的延伸，是所有半导体变流电路中历史最短的一种新型电路;本章将讨论这种电路。2020/1/24现代电力电子YWH445.1.1整流电路的理想状态1.网侧功率因数λ=1以单相电源为例，设网压无谐波且可表示为(5-1)则网侧电流应为(5-2)上式表明，电流iN也无谐波且与uN同相.在非正弦电路中，网侧功率因数定义λ为(5-3)式中,P1是基波有功功率；S是表观功率,Pn谐波有功功率。sinNNmuUtsinNNmiIt112nnnnPPPSS2020/1/24现代电力电子YWH551.网侧功率因数λ=1(续1)根据网压无谐波的设定，式(5-3)中所有谐波有功功率应为零:即(5-4)对单相电路(5-5)(5-6)U1和I1是电压电流基波有效值；U和I是电流方均根值;Φ1是U1和I1之间的相移角。将式(5-5)和式(5-6)代人式(5-4)有:(5-7)式中,(µ--电流正弦因数)20nnP1/PS1111cosPUI1SUIUI111(/)coscosII1/II这里是由于电网电压谐波较小的原因2020/1/24现代电力电子YWH661.网侧功率因数λ=1(续2)(5-7)表明，网侧功率因数入是基波功率因数COSΦ1和电流正弦因数µ的乘积，可表示为:(5-8)式中，THD是电流总谐波含量,THD值越低，则µ值越高，当λ=1时，电网仅对整流电路提供有功功率。对于三相电路，若电路对称,其网侧功率因数与单相电路相同,在网压正弦条件下,网侧功率因数仍可表示为基波功率因数COSΦ1和电流正弦因数µ的乘积.112221222111nnnnIIITHDIIITHDI(5-9)2020/1/24现代电力电子YWH72.输出电压u0≡U0(电压型）i0≡I0（电流型）3.具有双向传输能力当负载消耗电能时，电网向负载传送电能。电路工作于整流状态，输出功率p00;负载(如直流电动机)向电网反馈电能时，电路工作于有源逆变状态，输出功率p00;具备上述能力的电压型整流电路，其出端电流平均值必定可逆，电路可工作于电流双象限；具备上述能力的电流型整流电路，其出端电压平均值必定可逆，电路可工作于电压双象限。2020/1/24现代电力电子YWH884.能实现输出电压的快速调节以保证系统有良好的动态性能5．具有较高的功率密度随着技术的进步，电子产品正向小型轻量化迅速发展，功率密度不断提高，作为这些产品的电源装置，若不设法提高功密，便会妨碍整机的发展。6．整流电路无内耗，即电路中所有元器件均无损耗.2020/1/24现代电力电子YWH995.1.2传统整流电路存在的问题1.网侧功率因数低对于相控整流电路,由相控整流电路分析可知，在输出电流连续并忽略换流过程时有:(5-15)式中，α是滞后控制角上式表明，深控下的直流输出电压很低(α大)，相应的网侧功率因数也很低.然而在输出有功功率降低的同时，电路向电网吸取的基波无功功率Q1却随之增大：1coscos111111sinsinQUIUI(5-16)2020/1/24现代电力电子YWH1010网侧功率因数低对于不控电路网侧功率因数低的现象也存在于不控整流电路，例如提高电路功率密度，实现产品小型轻量化，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输入滤波方案．如图5—1a所示：2020/1/24现代电力电子YWH1111不控电路其网侧电流iN如图5—1b所示，由于负载的非线性特性，iN已严重失真，其电流正弦因数µ=0.6~0.7；尽管功率因数较高，网侧功率因数0.5~0.6，但这种开关源产品量大面广，对电网的危害并不亚于相控整流电路；图5—1b2020/1/24现代电力电子YWH12122、谐波电流对电网的危害从上面分析无论不控整流电路还是相控整流电路网侧电流包含各次谐波，它们不仅使网侧功率因数下降(导致发电、配电及变电设备的利用率降低，功耗加大和效率下降)，还使线路阻抗产生谐波压降，使原为正弦的网压也产生畸变；谐波电流还使线路和配电变压器过热，高次谐波还会使电网高压电容过电流，过热以至损坏。2020/1/24现代电力电子YWH1313谐波电流对电网的危害必须指出，谐波不仅危害电网，还可对网间各种负载造成不良影响，诸如电动机、变压器和继电器等；此外，谐波对通信系统的干扰会引起噪声，降低通信质量等。2020/1/24现代电力电子YWH14143．难于实现快速调节传统的SCR一方面在导通后就失控，对于三相桥式电路，相邻两转换点时间为3.3ms，故时滞在0~3.3ms间随机分布；另一方面：为了抑制出端谐波，传统的SCR相控整流电路附加了输出滤波器。由于滤波元件参数较大，不仅增加电磁惯性，而且降低功率密度。因此相控整流电路具有较大惯性，因而难于对外扰作出快速反应2020/1/24现代电力电子YWH15155.1.3现代（PWM）整流电路的分类PWM整流电路的定义所谓PWM整流电路指采用PWM控制方式和全控型器件组成的整流电路。它在不同程度上解决传统低频整流电路存在的问题，得到国内外的重视，随着全控型功率器件开关容量的增大。微机、数字信号处理器(DSP)性能的提高、SVPWM技术的日渐成熟，也由于其主电路拓扑结构与逆变电路十分相似，因此逆变电路获得成功的经验和技术都可以顺利地移植到PWM整流电路，所以近年来发展较快。可以祈望，PWM整流终将成现代整流电路的主流。2020/1/24现代电力电子YWH1616PWM整流电路并可分类如下1、按变流方式分：直接式电路、间接式电路2、按主电路结构分：桥式、复合电路3、按电网相数分：单相、三相电路4、按输入出间耦合方式分：直耦式、磁耦式电路5、按工作范围分：单象限电路、多象限电路6、按输出滤波分：电压型电路、电流型电路7、按输出电压分：低电压电路、中高电压电路8、按器件开关方式分：硬开关电路、软开关电路9、按直流中点分：嵌位式、无嵌位式2020/1/24现代电力电子YWH1717PWM整流电路的分类（续1）对于中、大功率整流电路均采用单相或三相桥式电路结构；对于小功率整流电路多采用单相不控整流加一级直流变换电路以实现网侧功率因数校正(PowerFactorCorrection，缩称PFC)。电流型电路指出端串联滤波电感以维持输出电流低纹波，具有近似于电流源的特性，由其供电的逆变电路称为电流源逆变电路；2020/1/24现代电力电子YWH1818PWM整流电路的分类（续2）电压型电路指出端并联滤波电容以维持输出电压低纹波，具有近似于电压源的特性，由其供电的逆变电路称为电压源逆变电路。由于目前实用中多为电压源逆变电路，本章仅分析电压型整流电路。在桥式电路中，根据桥侧相电压对负载侧直流中点的电平数，所有电路可分为两电平和三电平两类，普通PWM桥式整流电路属于前者，具有直流中点钳位的PWM整流电路(NeutralPointClampedPWMRectifiers，缩称NFC-PWMRFC)属于后者。2020/1/24现代电力电子YWH1919按整流电路输出与电网间是否具有电隔离能力，所有整流电路可分为直耦式和磁耦式两类；*直耦式电路无电隔离能力；*磁耦式电路通过输入或输出变压器与电网实现电隔离：#输入隔离由输入工频变压器与电网隔离，多用于大功率场合；#输出隔离由输出高频变压器与负载隔离，多用于小功率场合。PWM整流电路并可分类（续3）2020/1/24现代电力电子YWH2020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。凡是单象限电路，其电能流传方向为单方向，即只从电网到负载；相反，多象限电路(含电流或电压双象限)必是双向电路，即电能可在电网与负载间双向流传。鉴于PWM软开关技术已在其他变换电路成功运用，为了降低器件开关损耗和EMI(电磁干扰)，人们开始研制软PWM整流电路，本章仅讨论硬开关PWM整流电路PWM整流电路的分类（续4）2020/1/24现代电力电子YWH2121凡包含中间高频交流环节的整流电路，称为间接式整流电路，或高频链整流电路，相反则称为直接式整流电路。PWM整流电路的分类（续5）2020/1/24现代电力电子YWH22225.2低电压大电流高频整流电路5.2.1倍流整流电路出于电隔离和电压匹配的需要，在DC／DC变换中常采用间接变换方案，即含有交流中间环节的直流变换电路。为了提高功率密度，交流环节中逆变电路的开关频率在(20-300)kHz之间，因此，出端整流电路属于高频整流电路，传统的桥式电路因导通器件多，在低压大电流工况下其导通损耗增大,电路效率低；推挽式电路的导通器件少，但输出变压器需要中心抽头，制作不太方便。2020/1/24现代电力电子YWH2323倍流整流电路（续1）为此发展了图5-2a所示的倍流整流电路。由图可见，电路仅用两支二极管，变压器二次绕组也无需中心抽头，此外绕组电流iN仅为输出电流iL的一半，或者说输出电流的幅值是输入电流的两倍。故有倍流电路之称。图5-22020/1/24现代电力电子YWH2424为简化分析作以下假定:1)输出滤波电容C0值很大,iL中谐波均从C0中流过,负载仅流过直流分量I0，故输出电压无纹波，即uo≡Uo。2)滤波电感L1=L2=L，无直流内阻且数值较大。3)输入电压us可表示为:us=Usm(A时区)us=0(B时区)(5-18)us=-Usm(C时区)倍流整流电路（续2）2020/1/24现代电力电子YWH2525由图可见，A和C时区宽度均为τ,在这些时区中，整流电路输入电压us的幅值高度均为Usm，即us为对称，电路一个重复周期T由A、B、C三个时区组成，以下分析各时区的工作.倍流整流电路（续3）2020/1/24现代电力电子YWH2626对应于uS正半波，即us=usm;二极管VD2正偏导通，VD1截止，等效电路如图5-3a所示，图中所标为电量实际方向(当与图5-2a中方向一致时为正,相反则为负)。由图可见，整流电路输出电流iL可表示为:1．L1储能期(时区A)图5-3120LLLCiiiiI2020/1/24现代电力电子YWH2727L1储能期(时区A)(续1)电流iL1由电源经L1和负载流过，由图中uL1的极性和iL1的流向可见，在R0从电源获得能量的同时，L1也从电源吸取电能并转化为磁能存储起来；与此相反，原先存储在L2中的磁能在本时区中以iL2的形式向负载释放，L1和L2的端压可表为(按图5-2a所标正方向).(5-20)(5-22)(5-23)100201010221()LsSmLmLLSmLuuUUUUuUdiUUdtLUdidtL(5-21)2020/1/24现代电力电子YWH2828L1储能期(时区A)(续1)在节点A有:iL1=iN,iD1=0上式表明，在本时区中有L1储能，L2放能，UL10，UL20，iL1上升,而iL2下降，其速率取决于L1(L2)、Usm和Uo值.2020/1/24