52第5章 PWM整流电路

第5章PWM整流电路5.1概述5.2低压大电流高频整流电路5.3电压型单相单管PWM整流电路5.4电压型单相桥式PWM整流电路5.5电压型三相桥式PWM整流电路5.1概述5.1.1整流电路的理想状态5.1.2传统整流电路存在的问题5.1.3PWM整流电路的分类5.1.1整流电路的理想状态1.网侧功率因数λ=12.输出电压u0≡U0(电压型)或输出电流i0≡I0(电流型)3.具有双向传递电能的能力4.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6.整流电路无内耗，即电路中所有元器件均无损耗5.1.2传统整流电路存在的问题图5-1具有电容输入滤波的单相不控整流电路a)电路结构b)电量波形5.1.3PWM整流电路的分类所谓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。由于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。微机及数字信号处理器(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整流终将成整流电路的主流。5.2低压大电流高频整流电路5.2.1倍流整流电路5.2.2同步整流电路5.2.1倍流整流电路图5-2倍流式整流电路a)电路结构b)电量波形5.2.1倍流整流电路1)输出滤波电容C0值很大，iL中谐波均从C0流过，负载R0中仅流过直流分量I0，故输出电压无纹波，即u0≡U0。2)滤波电感L1=L2=L，无直流内阻且数值较大。5.2.1倍流整流电路图5-3图5-2b中各时区的等效电路a)时区Ab)时区Bc)时区C5.2.2同步整流电路图5-4同步倍流式整流电路a)电路结构b)简单的栅压波形c)改良的栅压波形d)由图5-4a点划线框Ⓐ获得的栅压波形5.2.2同步整流电路图5-5全波零式同步整流电路a)电路结构b)电量波形5.2.2同步整流电路图5-6非对称型同步整流电路a)电路结构b)电量波形5.3电压型单相单管PWM整流电路5.3.1含BoostAPFC的PWM整流电路5.3.2含FlybackAPFC的PWM整流电路5.3电压型单相单管PWM整流电路表5-1IEC1000-3-2D类谐波含量标准1)两级结构：第一级是PFC级，通常采用Boost电路，其任务是实现网侧电流正弦化，此外对输出电压进行粗调；第二级是直流变换电路(直接式或间接式)，其任务是对输出电压进行细调，该方案的优点是高性能(含高λ、高调压精度和高反应速度)，结构相对简单，技术成熟；缺点是整机效率较低和性价比依然不高，适用于精密仪器电源等场合。2)单级结构：对电脑电源和电子镇流器等家电而言，效率和性价比都是至关重要的，为此将两级变换合并为一级成为单级单管电路(Single-stage）。5.3.1含BoostAPFC的PWM整流电路图5-7含BoostAPFC和PWM整流电路1—电压调节器2—乘法器3—电流调节器4—载波发生器5—SPWM信号比较器6—驱动器7—输出电压快速调节器5.3.1含BoostAPFC的PWM整流电路图5-8图5-7电路的电量波形5.3.1含BoostAPFC的PWM整流电路表5-2APFC专用控制芯片表5-2APFC专用控制芯片5.3.1含BoostAPFC的PWM整流电路图5-9250WPowerMOSFETBoostAPFCM—标量乘法器REC—整流器UR—基准电压(7.5V)5.3.2含FlybackAPFC的PWM整流电路1.按DCM模式工作的情况分析图5-10含FlybackAPFC的PWM整流电路1—电压调节器2—标量乘法器3—振荡器4—SPWM比较器5—反相器6—锁存器7—驱动器CT—电流互感器5.3.2含FlybackAPFC的PWM整流电路图5-11图5-10电路在DCM模式下的电量波形2.按CCM模式工作的情况分析5.4电压型单相桥式PWM整流电路5.4.1理想条件下的电路分析5.4.2实际条件下的电路分析5.4.3输出电压U0的调节5.4.4网侧功率因数λ=-1时的电路分析5.4.5电路的控制5.4.1理想条件下的电路分析图5-12单相电压型PWM整流电路a)全桥式结构主电路b)等效电路c)半桥式结构主电路d)工作模式5.4.1理想条件下的电路分析图5-13单相PWM整流电路入端电量矢量图5.4.2实际条件下的电路分析1.电路的工作模式图5-14不同工作模式下的等效电路(λ=1)a)、b)工作模式Ⅰc)、e)工作模式Ⅱd)、f)工作模式Ⅲ5.4.2实际条件下的电路分析表5-3单相SPWM=0和λ=1下的工况2.λ=1时电路工作过程分析5.4.2实际条件下的电路分析图5-15λ=1时电路的电量波形5.4.2实际条件下的电路分析3.输出电流i0的分析5.4.3输出电压U0的调节(1)负载电阻R0变化时的稳压分析图5-16外扰作用下电量的矢量关系(2)网压uN变化时的稳压分析设负载电阻R0不变，即输入和输出功率为恒值，为此RN应随uN而变。5.4.4网侧功率因数λ=-1时的电路分析图5-17λ=-1时电路的电量波形5.4.4网侧功率因数λ=-1时的电路分析图5-18不同工作模式的等效电路(λ=-1)a)、b)工作模式Ⅰc)、f)工作模式Ⅱe)、d)工作模式Ⅲ5.4.5电路的控制图5-19采用间接电流控制策略的PWM整流电路1—直流给定电压2—直流输出电压检测3—交流输入电压检测4—电压调压器5—移相器6—电压变换7—标量乘法器8—矢量加法器9—PWM比较器10—载波发生器11—控制门12—保护电路13—脉冲分配器14—驱动电路5.4.5电路的控制图5-20采用直接电流控制策略的PWM整流电路1—直流给定电压2—直流输出电压检测3—交流电流检测4—电压调压器5—交流电压检测6—驱动电路7—标量乘法器8—电流调节器9—PWM比较器10—载波发生器5.5电压型三相桥式PWM整流电路5.5.1电路工作原理分析5.5.2电路的控制5.5.3输出直流电压的估算5.5电压型三相桥式PWM整流电路图5-21电压型三相半桥式PWM整流电路5.5.1电路工作原理分析图5-22λ=1时三相电压型PWM整流电路电量波形1.控制极信号的时序分布5.5.1电路工作原理分析2.桥侧线电压波形分析3.桥侧相电压波形分析4.电路的工作模式图5-23三相电压型PWM整流电路的工作模式5.5.2电路的控制1.标量乘法器方案图5-24含标量乘法器的三相PWM整流电路控制结构图1—电压给定2—电压调节器3—输出直流电压检测4—输入交流电压检测5—交流电流检测6—标量乘法器7—电流调节器8—控制门9—保护电路10—载波发生器11—SPWM信号生成和处理器5.5.2电路的控制图5-25采用矢量控制方案的三相PWM整流电路控制结构图1—电压给定2—电压调节器3—电流调节器4—三角函数运算5—同步电路6—三相/二相坐标变换7—二相/三相坐标变换8—输出直流电压检测9—PWM信号生成10—载波发生器11—基波相移角给定5.5.2电路的控制2.矢量控制方案这一方案的确切名称是基于d轴的矢量控制方案。d轴是一种以指定速度转动的二相旋转坐标系。在交流电动机调速系统中，当采用按转子磁场定向的矢量控制方案时便会使用这种坐标系，因为转子是旋转的。但在静止的整流电路交流侧采用这种坐标系进行控制的原因就需要略加解释。5.5.3输出直流电压的估算1.基波等效电路图5-26三相PWM整流等效电路及矢量图a)基波等效电路b)ϕ＞0的矢量图2.ϕ=0时输出电压U0的估算三相电路输出直流电压的表达式与单相电路相似，因而在单相电路中使用的控制策略可以延用到三相电路中。