单相PWM整流电路设计电力电子课程设计.docx

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单相PWM整流电路设计电力电子课程设计

重庆大学电气工程学院

电力电子技术课程设计

设计题目:

单相桥式可控整流电路设计　

年级专业：

**＊＊级电气工程与自动化

学生姓名:

　＊**＊*　　　

学　号:

　****　

成绩评定：

完成日期：

２013年６月　23日

课程设计指导教师评定成绩表

项目

分值

优秀

（100>x≥90）

良好

（9０>x≥８0）

中等

（８0>x≥7０）

及格

（70>x≥6０）

不及格（x<60）

评分

参考标准

参考标准

参考标准

参考标准

参考标准

学习态度

2０

学习态度认真，科学作风严谨，严格保证设计时间并按任务书中规定的进度开展各项工作

学习态度比较认真，科学作风良好，能按期圆满完成任务书规定的任务

学习态度尚好，遵守组织纪律，基本保证设计时间，按期完成各项工作

学习态度尚可,能遵守组织纪律，能按期完成任务

学习马虎，纪律涣散,工作作风不严谨，不能保证设计时间和进度

技术水平与实际能力

30

设计合理、理论分析与计算正确,实验数据准确，有很强的实际动手能力、经济分析能力和计算机应用能力，文献查阅能力强、引用合理、调查调研非常合理、可信

设计合理、理论分析与计算正确,实验数据比较准确,有较强的实际动手能力、经济分析能力和计算机应用能力,文献引用、调查调研比较合理、可信

设计合理，理论分析与计算基本正确，实验数据比较准确,有一定的实际动手能力，主要文献引用、调查调研比较可信

设计基本合理，理论分析与计算无大错，实验数据无大错

设计不合理，理论分析与计算有原则错误，实验数据不可靠，实际动手能力差，文献引用、调查调研有较大的问题

论文（计算书、图纸）撰写质量

5０

结构严谨,逻辑性强，层次清晰，语言准确，文字流畅，完全符合规范化要求,书写工整或用计算机打印成文;图纸非常工整、清晰

结构合理，符合逻辑，文章层次分明,语言准确,文字流畅，符合规范化要求,书写工整或用计算机打印成文;图纸工整、清晰

结构合理,层次较为分明，文理通顺，基本达到规范化要求，书写比较工整;图纸比较工整、清晰

结构基本合理,逻辑基本清楚，文字尚通顺，勉强达到规范化要求；图纸比较工整

内容空泛，结构混乱，文字表达不清，错别字较多，达不到规范化要求;图纸不工整或不清晰

指导教师评定成绩：

指导教师签名:

　　　　　　　　　年月　　日

ﻬ重庆大学本科学生电力电子课程设计任务书

课程设计题目

单相桥式可控整流电路设计

学院

电气工程

专业

电气工程与自动化

年级

**级

已知参数和设计要求：

1.单相电压型PＷM整流器设计

2.输入工频电压220V（±2０%）,５0HＺ

3.输出功率3KW，输出电压4０0Ｖ

4.IGＢＴ选型,开关频率10KＨｚ-20KHz；

　设计单相电压型PWM整流电路,并计算各元器件的参数，开关器件选用IGＢT，采用双极性PＷM调制方式,运用ｍａtlab／siｍulｉnｋ对所设计电路仿真，得出波形和数据。

学生应完成的工作:

1.查询相关资料,学习ＰWM整流的原理;

2.掌握主电路的设计,对各参数进行理论计算；

3.学习PWM调制方式，用反馈实现双极性调制方法

4.利用simｕlink对所设计电路进行仿真,并得到仿真波形和数据;

5.完成课程设计报告。

目前资料收集情况（含指定参考资料）：

张兴，张宗巍．PWM整理器及其控制［M］

单相电压型PWＭ整流器控制系统设计与仿真［J］

单相电压型PＷM整流电路原理分析与仿真[J]

ＰWM整流电路的原理分析[J]

课程设计的工作计划:

6月3日——6月7日，查阅相关论文和参考文献,理解整流原理

6月７日——6月11日,PWM整流电路的参数计算,主电路的设计

6月11日——6月１6日，建立simulｉｎk仿真模型验证理论计算

6月1６日——６月2３日,完成电路仿真和课程设计报告

任务下达日期　年　月　　日

完成日期年月　日

指导教师　　　　　　（签名）

学　生　　（签名）

ﻬ单相桥式可控整流电路设计

摘要:

本文主要研究单相桥式PWＭ整流电路的原理，并运用IGBT去实现电路的设计。

概括地讲述了单相电压型PWＭ整流电路的工作原理,用双极性调制方式去控制IGBT的通断。

在元器件选型上,较为详细地介绍了IGBT的选型，分析了交流侧电感和直流侧电容的作用,以及它们的选型。

最后根据实际充电机的需求,选择元器件具体的参数，并用simｕｌｉnk进行仿真,以验证所设计的单相电压型ＰWM整流器的性能。

实现了单相电压型PWM整流器的高功率因数,低纹波输出等功能。

关键词：

PWＭ整流simulｉｎｋ双极性调制IGBＴ

1.引言-　5-

1．１PＷM整流器产生的背景ﻩ－５　-

1.2　PWＭ整流器的发展状况ﻩ-　５-

1.3　本文所研究的主要内容ﻩ-6　-

２.单相电压型PWM整流电路的工作原理ﻩ-7－

2.1电路工作状态分析ﻩ－7-

２.2PWM控制信号分析ﻩ-８-

2.３交流测电压电流的矢量关系ﻩ－９-

3.单相电压型ＰＷM整流电路的设计-10－

3．１主电路系统设计ﻩ－10-

3.２IGBＴ和二极管的选型设计－１1－

3.3交流侧电感的选型设计ﻩ-11-

3.4直流侧电容的选型设计－　12　-

4．单相PＷＭ整流电路的仿真及分析ﻩ-1３-

4．１　整流电路的siｍuｌink仿真ﻩ－　1３-

4.２对simulｉnｋ仿真结果的分析－16-

5．工作展望ﻩ-　16-

参考文献ﻩ-　１7-

ﻬ1.引言

1.1PWM整流器产生的背景

电力电子技术是现代电工技术中最活跃的领域,并且在电力系统中得到日益广泛的应用,它是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。

电力电子技术根据用户对电能要求的不同,对电能进行不同形式的变换,实现电能更好的满足人们的需求,并通过功能和性能的提高,产生经济和社会效益。

电力电子技术的发展，促进了各种电能变换装置的发展，出现了各种以PWM变换为基础的电力电子装置,例如逆变电源、变频器、超导储能装置、新能源发电装置、有源电力滤波器、统一潮流控制器等等。

这些现代的电力电子装置中，许多都以直流电压为输入,或者中间级需要直流电压。

从最开始的二极管不控整流,到后来出现的晶闸管相控整流方式,这些整流装置都有共同的缺点，都会给电网带来谐波危害，其功率因数也不高。

特别是谐波对于电网是一种污染，谐波会影响线路的稳定运行，影响挂在电网中的变压器工作效率，损坏低压开关设备，对通信设备产生干扰等等［１］。

为了减少谐波危害,许多学者对新型整流装置做了大量的研究分析，为了实现整流装置输入电压与电流都正弦化，并且使其功率因数接近1,学者们研制出了高频PMW　整流器。

高频PWM整流器不仅能够提供正弦化的输入电流，可控的功率因数，而且能够将直流侧能量逆变至电网侧,实现整流器的四象限运行。

1．2ＰWM整流器的发展状况

PWM控制技术的应用与发展为整流器性能的改进提供了变革性的思路和手

段,结合了PWＭ控制技术的新型整流器称为ＰWM整流器。

与传统的整流器相比,PWM整流器不仅获得了可控的AC／ＤC电能变换性能,而且实现了网侧单位功率因数和正弦电流控制，能使电能双向传输。

ﻩ从20世纪７０年代开始,PWM技术开始应用于采用半控功率开关器件的单相整流电路中。

从80年代开始，随着半导体产业的发展，可关断功率开关器件产品日趋完善，对单相PＷＭ整流器有了更加深入的研究，其应用也更加广泛。

随着连续及离散数学模型的提出、拓扑结构的多样化、控制策略的完善、功率半导体技术以及传感器技术的持续发展，单相PWＭ整流器的研究发展进入一个新的阶段。

同时单相PWM整流器的应用也成为一个研究热点，如交流传动、UPS电源、柔性交流电传输、光伏及风能并网发电等,同时,这些应用的研究对单相PWM整流器的研究起到促进作用。

PWＭ整流器数学模型的建立，是对ＰWM整流器进行研究的基础,Ａ．W.Gｒｅeｎ等人提出了基于坐标变换的PＷＭ整流器连续、离散动态数学模型,这种连续、离散模型的建立极大的扩展了PＷM整流器的发展，可以用数学语言来描述PWM　整流器的工作原理。

R.Wu和S．Ｂ．Deｗan等比较系统的建立起了PＷM　整流器时域模型,在此基础上,HｅngchunMao等人建立了降阶小信号模型。

各种模型的建立,大大促进了人们对于PWM整流器的认识,对ＰＷM整流器的工作特性更加清晰,大大促进了对于PWM　整流器的研究。

在此同时新的拓扑结构和控制方法得到了快速的发展，并由此将ＰＷM整流器的应用拓展到更加广阔的领域,例如风力光伏发电技术、有源电力滤波器、统一潮流控制器、动态电压恢复器、直流输电技术等等[１]。

PWM　整流器非常好的工作特性,其关键在于对整流器输入电流的控制。

为了使PWM　整流器实现单位功率因数和输入电流含有较小的谐波,必须控制整流器输入电流呈现正弦特性，对于整流器的控制策略，关键在于电流内环的设计分析。

１．３本文所研究的主要内容

对于较为复杂的PＷM整流器的研究，本文着重在于从课程设计的角度上学习ＰWM整流原理，并能设计PWM整流电路及其各元器件的参数,最终用sｉmulinｋ仿真验证所设计的效果。

在器件上,本文全控型器件选用ＩGBT，通过要求计算所需选择IGBT的参数,并简单分析研究其H桥死区问题、损耗问题、开关速度问题。

具体地，本文主要以电动汽车的直流充电机为背景，以直流充电机的所需参数来规范本文的基本参数，选用单相工频交流电源220V/５0Hｚ供电，输出额定功率达到3ＫW，直流侧电压为400V。

2.单相电压型PWＭ整流电路的工作原理

单相桥式电压型PWM整流电路,其电路如图1所示。

每个桥臂由一个全控器件和反并联的整流二极管组成。

L为交流侧附加的电感,在PWM整流电路中是一个重要的元件,起平衡电压、支撑无功功率和储存能量的作用。

为简化分析,可以忽略Ｌ的电阻。

直流侧电容C在全控型器件关断时,为电感电流提供电流路径,缓冲冲击电流，同时该电容还储存能量,稳定直流侧电压,抑制直流侧的谐波电压。

主要功率将消耗在负载R上。

图　1单相桥式电压型ＰWＭ整流电路

除必须具有输入电感外,PWＭ整流器的电路结构和PＷM逆变电路是相同的。

按照正弦信号波和三角波相比较的方法对图1中的V1~V４　进行SPＷM控制，就可以在桥的交流输入端ab间产生一个SPWM波uab。

在uaｂ中含有和正弦信号波同频率且幅值成比例的基波分量，以及和三角波载波有关的频率很高的谐波,但不含有低次谐波。

2.1电路工作状态分析

ﻩ对于单相电压型ＰWM整流器而言,其交流侧基波电压控制有两种ＰWＭ控制方式,即双极性调制和单极性调制。

由于双极性控制简单有效，本文主要讲述采用双极性调试的工作原理。

ﻩ当采用双极性调制时,把直流侧电压看作基本不变,则交流测电压uａb（ｔ）将在Vdc和–Vdc间切换，以实现交流测电压的PWＭ控制。

因此双极型调制时,单相电压ＰWM整流过程只存在两种开关模式,并可用双极性二值逻辑开关函数ｐ进行描述,即

两种开关模式见表1。

表　1单相电压型PWM双极性调至开关模式

开关模式

１

2

导通器件

V1（VＤ１）、V4（VＤ４）

V2（VD2）、V3（ＶＤ3）

开关函数

p=1

ｐ=–1

需要注意的是，当网侧电流ｉ（ｔ）方向不同时，同一开关模式将存在不同的电流回路。

单相电压型PWM整流电路双极性不同开关模式时的电流回路如下图2所示。

图2双极性调制不同开关模式时的电流回路

ａ）模式1,且i（t）＞0ｂ）模式2，且i（ｔ）>0

ｃ）模式1，且i（t）＜0d）模式２，且i（t）<0

电流为正时，ＶＤ１　和VD４　导通,交流电源输出能量，直流侧吸收能量,电路处于整流状态；电流为负时，V１和Ｖ4导通；交流电源吸收能量,直流侧释放能量，处于能量反馈状态。

电流为正时,V2和Ｖ3　导通，交流电源和直流侧都输出能量，L储能；电流为负时，VD２和VＤ3导通,交流电源和直流侧都吸收能量,L释放能量。

2.２PWM控制信号分析

采用双极性PWＭ调制方法时，单相PWM整流器的四个功率开关管通过两个不同的控制信号控制,图1中开关管V１和V4同时开通或关断，而开关管V2和Ｖ3同时开通或关断,其调制的PWM控制信号如下图３。

图　3双极性SＰＷM调制原理

通过双极性SPWM调制策略,使得交流测的电压在交流测电压uab（t）将在Vdc和–Vｄc　间切换。

2．3　　交流测电压电流的矢量关系

稳态条件下,PWＭ整流电路交流侧电压、电流矢量关系如图4所示。

图　4稳态条件下PＷM整流电路交流测的电压电流矢量关系

图中，

为交流电网侧电压相量，

为交流测电压相量,

为交流测电感电压相量,

为交流测电流相量。

ﻩ为简化分析，对于PWM整流电路,只考虑基波分量，忽略谐波分量,且不计交流侧电阻。

从上图分析得:

当以交流电网侧电压相量为参考时，通过控制交流侧电压相量即可实现PWM整流电路的四象限运行。

若假设交流侧电流相量

不变,因此抚

也固定不变，在此情况下，PWM整流电路交流侧电压相量

端点运动轨迹构成了一个以

为半径的圆。

当交流侧电压相量端点位于圆轨迹A点时,交流侧电流相量将比交流电网侧电压相量滞后９0°,此时,PＷM整流电路电网侧呈纯电感特性，如图4（a）所示。

当交流侧电压相量

端点位于圆轨迹B点时,交流侧电流相量

与交流电网侧电压相量

平行且同向，此时PWM整流电路电网侧呈正电阻特性,如图4（ｂ）所示。

当交流侧电压相量

端点位于圆轨迹C点时，交流侧电流相量

比交流电网侧电压相量以超前９０°,此时PWＭ整流电路电网侧呈纯电容特性,如图４（c）所示。

当交流侧电压相量

端点位于圆轨迹Ｄ点时，交流侧电流相量

与交流电网侧电压相量

平行且反向，此时ＰＷＭ整流电路电网侧呈负电阻特性，如图4（ｄ）所示。

3.单相电压型PWM整流电路的设计

3.1　主电路系统设计

为了结合实际情况,本设计将考虑直流侧电感的电阻，在输出侧增加一个LC滤波电路，是输出的结果纹波更小。

其电路如下图5所示。

图5所设计单相PWM整流的主电路

3.2　IGBＴ和二极管的选型设计

此电路的输入电压为交流22０Ｖ,输出功率要达到3ＫW。

交流电压的峰值为

31１V，考虑到一定的裕量,ＩＧＢT的耐压值可取600V。

另外由于此PWM整流电路为升压ｂoｏsｔ电路,输出的电流最大值平均10A,考虑一定的裕量,可选择最大电流为２0A的ＩGBT。

对于整流二极管，可根据上述电压电流的分析,可以选择二极管的反向击穿电压为600V，电流20Ａ。

3．3　交流侧电感的选型设计

在单相电压型ＰWM整流器工作过程中，整流器交流侧电感在电路中起着能量传输的作用,肩负着将交流侧能量传递至直流侧的任务,交流侧电感的选型对于整流器输入电流波形的控制起着至关重要的作用。

交流侧电感的取值不仅影响到电流环的动、静态性能，而且还决定着电压型整流器的输出功率、功率因数以及整流器输出直流电压的好坏。

交流侧电抗器隔离电网电压与整流器交流侧电压，通过对整流器交流侧电压的控制,实现PWM整流器的四象限运行,同时滤除电压源型整流器交流侧谐波电压，从而实现电压源型整流器交流侧电流正弦,使电压型整流器具有Boosｔ特性的PWMAＣ/DＣ电源，在PWM整流器获得良好的直流电压同时,还可以实现系统功率因数可调,谐波电流小等特性。

选型考虑因素一：

整流器交流侧电感压降不能太大，一般小于电网额定电压的３０％。

可以查阅相关书籍[2]可得：

ﻩ所给实际参数为

＝３14rad/ｓ,

=3KW,带入上述公式可得:

。

选型考虑因素二：

交流侧电流在一个开关周期内电流的最大超调量尽可能小,一般小于交流侧额定基波电流峰值的1０~20%。

可以查阅相关书籍[2]可得：

所给实际参数为

＝3KＷ，

带入上述公式可得:

。

所以选择的交流侧电感的值

，此处选择中间值

。

如果根据以上约束条件计算出的电感取值存在矛盾时,表示电感选型限制条件过于苛刻，应当根据实际情况放宽条件，然后再重新计算。

总之，电感较大时，对于整流器输入电流波形控制会有好处，但是同样会带来动态响应慢的缺点。

电感较小时，整流器输入电流动态响应快，但是不利于电流波形的控制。

所以在实际设计电感时,综合考虑上述各因素,可以将整流器输入电感设计稍微大一点,便于对整流器输入电流的控制。

3.4　直流侧电容的选型设计

直流侧支撑电容的主要作用是当开关管关断时，为电感电流提供电流路径，缓冲冲击电流，同时该电容还储存能量,稳定直流侧电压,抑制直流侧的谐波电压。

直流电容的选择是单相电压型ＰＷM整流器功率电路中的重要环节,选择是否合适直接影响系统的输出特性及系统工作的安全性。

在单相电压型ＰＷM整流器中,引起电容电压波动的原因在于负载变化引起的瞬态过程中输入及输出的功率不平衡。

特别是当整流器的工作模式是能量最大功率由交流侧流向直流侧,到能量最大功率由直流侧流向交流侧时刻（或者相反的工作状态）。

此时输入输出功率偏差最大，瞬态过程最长,并且瞬态过程引起的能量偏差将全部积累在直流母线支撑电容上面,这将引起直流电容上较大的电压波动。

由能量守恒定律,交流侧开关频率次电流脉动能量变化最大值等于直流支撑电容上能量脉动最大值。

可由相关文献[2］可得，在选择直流母线支撑电容的时候，为了减小直流侧电压纹波,选择直流电容标准为:

所给实际参数为

为交流测输入的电流值,取３000/220＝13.６A,

为交流侧输入电流的纹波系数，取10％,

为直流侧输出电压的纹波系数，取2%。

带入上述公式可得:

，为了使输出直流成分更大，此处可取大于１0倍，即取

。

3.5直流侧ＬC滤波电路的设计

分析整流器工作在单位功率因数,忽略整流器损耗。

从电网提供的瞬时功率可以看到，整流器输入功率包含恒定的直流分量和　2倍电源频率脉动的交流分量。

如果直流侧瞬时功率存在　２倍于电网频率的交流分量，此2倍于电网频率的交流分量会在直流母线支撑电容上产生2倍于电网频率的交流电压，即直流母线支撑电容上的电压是一个直流电压叠加一个　2倍于电网频率的交流电压。

如果在直流支撑电容两端并联一个谐振频率为2倍电网频率的ＬC滤波器,使得2　倍频交流电流分量流过该谐振滤波器,使得流入直流母线支撑电容的电流仅仅是直流分量，那么直流母线电压必然是稳定的直流电压。

因此,为了使

单相电压型PWM　整流器输出电压仅为稳定的直流电压,需要在直流母线电容两端并联谐振频率为2倍于电网频率的LC谐振滤波器。

在实际问题中，设计直流侧ＬC谐振电路时,主要考虑以下两个方面的问题:

（1）ＬC　谐振滤波器的谐振频率是２　倍于交流侧输入电压频率。

（2）将电容C取得稍微大一点。

谐振频率为:

４.单相PWM整流电路的仿真及分析

4.1　整流电路的simulinｋ仿真

运用matｌab／ｓｉmuｌink对此单相ＰＷM电压型整流电路进行仿真,可由上述参数选择公式计算出参数,其仿真参数如下：

单相交流电压

220V

整流器输入侧电感

12mH

整流器输入侧电阻

０．1Ω

直流侧电容

1600uF

直流侧负载电阻

50Ω

直流侧负载电阻

４０0Ｖ

ＩGBT开关频率

1０ｋＨz

输出功率

3ＫＷ

仿真电路控制信号方式采用直接电流控制，仿真电路图如图6所示。

图6　单相电压型PＷM整流电路仿真

ﻩ通过电压和电流反馈,然后再与三角载波做比较，得到两组互补的PWM控制信号,去控制ＩGBT的通断,已达到最后输出电压维持在4０0V附近。

仿真后的输出电压波形如下图7所示，可以看出在0．02秒之前上升的非常快,之后就基本维持在400V左右,有一定的纹波，其直流成分相当高。

图7单相电压型ＰＷM整流输出的电压波形

直流侧电压稳定时输出直流电压波形的效果，可见输出直流侧电压波形较理想，与理论分析的基本一致。

下图7为单相电压型PＷＭ整流输入电压电流波形，从中可以看出两者之间的关系。

图8单相电压型PWM整流输入电压电流波形

经过ＰＷＭ整流器后,稳定时输入电流与输入电压基本同相位，在同时取得最大值和最小值。

出仿真电路稳定运行后交流侧电流为规则正弦波且与交流侧电压同相位。

这样,输入效率也就提高了,经这种方式整流,其功率因数可以无限接近于1，对电网的谐波干扰很小。

ﻩ对于控制信号ＰWM,四个IGＢT的触发信号如下图9所示，其中VＴ1与VT２的控制信号互补,VＴ3与VT4的控制信号互补。

图　9调制后控制信号PWM的波形

4.２对ｓimuｌink仿真结果的分析

ﻩ仿真中，若交流测电感或者直流侧电容参数设计的不合理,那么仿真的波形将相差甚远，这说明了电感电容的参数是ＰWＭ整流电路实现功能的关键因素。

另外对于IＧBT来说,其开关频率一般不超过20kＨｚ,此仿真中使用的是10kＨz的开关频率。

可以看出输出电压的纹波还是比较大，其输入电流的脉动也比较明显,这与开关频率直接相关。

ﻩ当改变参数时，其仿真结果有较大的变化，例如将直流侧电容改为Ｃ=160uF时,其稳态输出电压的纹波较大，如下图1０。

图10　当直流侧电容参数取值偏小时（C＝160uＦ）的输出电压波形

另外，对于IGＢT的模型，仿真中的参数与真实器件的参数有差别,其开通和关断需要一定的时间,这将导致器件的功率损耗。

要降低损耗，可以探索采用零电压零电流开断的软开关技术。

5.工作展望

ﻩ此次课程设计收获非常大,了解了ＰＷM整流的优越性能,明白了单相电压型PWM整流器的工作原理，能够对主电路进行设计和元器件参数计算,掌握了间的的PWM控制方法,从simuｌｉnk软件仿真的角度上实现了单相电压型PWM整流电路的功能，从而理解到PWM整流器的优越性能。

虽然这次初试PWM整流电路取得了一些收获和成就,但PWM整流器还有许多更深奥的知识。

包括电流型PWM整流、逆变，其控制策略又有各种样式，这都学要我们在今后的生活中逐渐去学习和掌握。

参考文献

[1]王兆安,黄俊.电力电子技术（第4版）［M]．北京：

机械工业出版社,200４.

[2］张兴,张宗巍.PWM整理器及其控制［M].北京:

机械工业出版社,20０3：

2３．7０．

[3]李方正等.单相电压型PWM整流器控制系统设计与仿真[J]．装甲兵工程学院学报,20０7，21（3）：

６5—68．

[4］张军伟,王兵树等.单相电压型PWM整流电路原理分析与仿真[J].现代电子技术．2009,32（８）．

[5]黄卫平,谢运祥等．基于DSP的单相PWM整流器研究[J］．通信电源技术．2０1０.27

（1）．