单相电压型PWM整流.docx

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单相电压型PWM整流

摘　要

分析单相电压型PWM整流电路（功率因素校正电路）的工作原理和工作模式,功率因数校正（PFC）技术诞生与20世纪80年代，它采用的是高频开关工作方式，具有体积小，重量轻，效率高，输入功率因素（PF）接近１的优点，采用PWM进行控制,其中控制方法采用的是电流滞环比较法，因硬件电路简单，属于实时控制，电流响应快，对负载的适应性强，由于不需要载波，所以输出电压不含特定频率的谐波分量，另外，这种控制方式，有利于提高电压利用率选择适当的工作模式和工作时序,可使PWM整流电路的输出直流电压得到有效的稳定值。

同时也调节了交流侧电流的大小和相位,实现能量在交流侧和直流侧的双向流动,并使变流装置获得良好的功率因数。

最后建立其Matlab的仿真模型,验证了设计的正确性。

关键词：

单相电压型，PWM,整流，功率因素校正，功率因数，电流滞环比较法，Matlab，仿

Abstract

Analysisofsingle-phasevoltagesourcePWMrectifiercircuit（powerfactorcorrectioncircuit）andworkingprincipleofworkmode,powerfactorcorrection（PFC）technologywasborninthe1980s,itadoptsthehighfrequencyswitchingis,hastheadvantagesofsmallsize,lightweight,highefficiency,theinputpowerfactor（PF）closeto1,control,usingPWMcontrolmethodiscomparative,hysteresiscurrenthardwarecircuitissimple,belongstothereal-timecontrol,fastresponsetoloadcurrent,theadaptability,becausedonotneedcarrier,sotheoutputvoltageexcludingspecificfrequencyharmonics,inaddition,thecontrolmode,andishelpfultoimprovetheefficiencyofselectingtheappropriateworkingmodeandworktiming,canmakethePWMrectifiercircuitoutputdcvoltagestabilityofeffectively.Alsoadjusttheaccurrentoftheamplitudeandphase,realizetheacanddcpowerinthebidirectionallateralflow,andmakegoodconverterdeviceofpowerfactor.Finallythesimulationmodelisestablished,anditsMatlabverifiesthecorrectnessofdesign.

Keywords:

single-phasevoltagetype,PWM,Rectifier,Powerfactorcorrection,Thepowerfactor,Currenthysteresiscomparison,Matlab,Simulation.

单相电压型PWM整流电路

1绪论

1.1概述

功率因数校正（PFC）技术诞生与20世纪80年代，它采用的是高频开关工作方式，具有体积小，重量轻，效率高，输入功率因素（PF）接近１的优点，因而受到了人们的关注。

但20世纪80年代的功率因素校正技术大部分是寄予Boost电路原理。

所以说20世纪80年代是Boost功率因素校正年代。

这个阶段的注意特点是：

校正器采用的是“乘法器（Multiplier）原理进行控制，校正器工作在连续导电模式（CCM）可以获得较大的功率转换容量。

但是控制比较复杂，不适合200Ｗ以下小容量使用：

20世纪80年代后期又针对小容量整流器提出了电压跟随器校正技术，校正器工作在不连续导电模式（DCM），使控制电路大大简化，很适合200Ｗ以下小容量整流器使用，一般不能用在较大功率整流器中。

大家熟知,在传统的变流电路中,晶闸管可控整流装置的功率因数会随着其触发角的增加而变坏,这不但使得电力电子类装置成为电网中的主要谐波因素,也增加了电网中无功功率的消耗。

PWM整流电路是采用脉宽调制技术和全控型器件组成的整流电路,能有效地解决传统整流电路存在的问题。

通过对PWM整流电路进行有效的控制,选择合适的工作模式和工作时序,从而调节了交流侧电流的大小和相位,使之接近正弦波并与电网电压同相或反相,不但有效地控制了电力电子装置的谐波问题,同时也使得变流装置获得良好的功率因数；同时PWM控制主要用于逆变电路，主要采用电流滞环法控制，这种控制电路主要是硬件电路简单，经济，而且对电压的利用率高，对网侧污染少，提高了功率因素。

SPWM（SinusoidalPWM）法是一种比较成熟的,目前使用较广泛的PWM法.前面提到的采样控制理论中的一个重要结论:

冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时,其效果基本相同.SPWM法就是以该结论为理论基础,用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆变电路中开关器件的通断,使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等,通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值。

PWM调制是现代发展起来的一项技术，早工程上主要有滞环比较法和三角波比较法，较之后者，滞环比较控制方式的硬件电路简单，属于实时控制，电流响应快，对负载的适应性强，由于不需要载波，所以输出电压不含特定频率的谐波分量，另外，这种控制方式，有利于提高电压利用率，但在响应快的同时，电流脉动也很大，而且滞环的宽度也难控制，若宽度过大，开关频率和开关损耗可降低，但跟踪误差增大，若宽度过小，开关频率和开关损耗增大，跟踪误差可减小，再者，如果宽度固定，电流跟随误差范围也是固定的，但是开关器件的频率是变化的，这就对电力器件的工作频率提出了更高的要求，今后电力电子技术将会得到进一步发展，高频电力电子器件会应运而生，对上面目前不足将得到很大的改善。

PWM控制技术一直是变频技术的核心技术之一。

1964年A.Schonung和H.stemmler首先提出把这项通讯技术应用到交流传动中，从此为交流传动的推广应用开辟了新的局面。

　　从最初采用模拟电路完成三角调制波和参考正弦波比较，产生正弦脉宽调制SPWM信号以控制功率器件的开关开始，到目前采用全数字化方案，完成优化的实时在线的PWM信号输出，可以说直到目前为止，PWM在各种应用场合仍在主导地位，并一直是人们研究的热点。

　　由于PWM可以同时实现变频变压反抑制谐波的特点。

由此在交流传动及至其它能量变换系统中得到广泛应用。

PWM控制技术大致可以为为三类，正弦PWM（包括电压，电流或磁通的正弦为目标的各种PWM方案，多重PWM也应归于此类），优化PWM及随机PWM。

正弦PWM已为人们所熟知，而旨在改善输出电压、电流波形，降低电源系统谐波的多重PWM技术在大功率变频器中有其独特的优势（如ABBACS1000系列和美国ROBICON公司的完美无谐波系列等）；而优化PWM所追求的则是实现电流谐波畸变率（THD）最小，电压利用率最高，效率最优，及转矩脉动最小以及其它特定优化目标。

2.2本课题研究的意义

　　作为20世纪后期新兴的边缘学科，电力电子技术是利用电力电子器件对电能进行变换及控制的一种现代技术，它使电网的工频电能最终转换成不同性质、不同用途的电能，以适应千变万化的用电装置的不同需要。

业界认为，电力电子技术快速发展的物质基础源于电力电子器件的发展。

从1947年第一只晶体管诞生之日起，半导体器件及相应的变流装置在世界范围内很快发展起来，从而产生了半导体固态电子学。

这一技术发展到1956年，在晶体管的基础上又制成了晶闸管，从此开始步入电力电子技术的新时代。

70年代后期，在SCR基础上研制成功的可关断晶闸管以及在晶体管基础上研制成功的电力晶体管及模块相继进入实用化，并在中、大容量的变流装置中，传统的晶体管逐渐被这些全控型电力电子器件所取代。

电力电子技术取得快速发展正值80年代后期，随着以计算机为核心的微电子技术与电力电子技术的高电压、大电流技术的发展与结合，一方面诞生了多种具有自关断功能的器件，形成了一个新型的全控型电力电子器件家族；另一方面又涌现了一批多功能的控制模块。

目前，电力电子技术已由半控型、全控型器件进入全新的智能型时代。

其表现是，一方面原有各新型电力电子器件额定参数不断提高；另一方面

在国家自然科学基金的资助和创新机制推动下，目前，我国电力电子技术的研究已从吸收消化和一般跟踪，发展到前沿跟踪和基础创新，推出了诸多科研成果。

具有代表性的产品±20MVA静止无功发生器工业试验样机，获国家科技进步二等奖；通过专家鉴定的磁悬浮概念车的研究取得阶段性成果；在交流励磁发电的研究方面也获得良好的进展。

目前电力电子行业还开展了跟踪国际多方面前沿性课题的研究或基础创新研究，包括电力电子系统的积木式集成技术、具有独立电源的多电平拓扑电路、具有超导储能的并联型UPS、多电平软开关技术、铁道供电系统的电流谐波抑制和功率因数改善、逆变器无线均流技术、电能质量综合调节器、直流侧谐波抑制的PWM控制策略等。

这些成果和研究对提高我国电力电子行业的学术水平、提升电源产品的技术含量、赶超世界先进水平和增强国际竞争能力具有非常重要的意义。

　　目前，电力电子产品较好地满足了我国的市场需求，但新型电力电子半导体器件仍需依靠进口。

专家评估认为，与发达国家相比，我国在应用基础研究深度方面的差距至少为5~10年；在电源产品的质量、可靠性、开发投入、生产规模、工艺水平、先进检测设备、工人素质、持续创新能力和公司体制等综合实力方面的差距约为10~15年；特别是对电源产品和装置性能有极其重要影响的新型场控器件的芯片制造技术，目前还处于非常落后的状态。

　展望21世纪电力电子产业或电源产业的发展趋势，其动向就是围绕提高效率、提高性能、消除电力公害、减少电磁干扰和电噪声进行不懈的研究。

为此，我国电力电子行业未来几年开展研究的重点领域应是进一步提高电能变换效率，降低待机损耗；避免电力公害，尽量减少网侧电流谐波，并使网侧功率因数接近1；提高电源装置和系统的电磁兼容性；降低电噪声；通过实施高频化、元件小型化和先进工艺，实现产品的小型化和轻量化。

2.3国内外研究现状

国内外都在基于DSP的移相全桥倍流整流电路的研究，中大功率场合下，由于开关管电压应力低、易于实现软开关等优点，移相全桥电路得到比较广泛的应用。

其副边的整流电路形式主要有：

全桥、全波、倍流等方式。

全桥方式应用于输出电压较高的场合。

对于输出电压不高的场合，全波电路由于其元件少，结构简单等优点得到广泛应用。

但它也存在一些问题，诸如占空比丢失、整流二极管的反向恢复引起的电压尖峰以及两桥臂实现ZVS（零电压开关）的差异。

倍流整流方式则可以克服上述缺点。

本文详细分析了倍流电路的工作原理，并将数字控制应用于此电路中，从而克服了模拟控制的一些缺点，取得了较好的控制效果。

其中电路采用数字控制方法，DSP采样输出电压和电感电流，采用电压电流双闭环，以实现稳压并且提高系统的性能。

研究中采用Motorola最新推出的DSP—DSP56F8323。

此DSP高达60MHZ的频率，使其能满足系统对于实时性的要求。

12位AD转换器保证了较高的精度。

PWM模块可以输出6路PWM波，非常适用于电机控制。

　　由于PI调节器算法简单、可靠性高，一直被广泛应用于工业控制，所以本文也采用数字PI调节，将电压环的输出作为电流环的给定。

同时，为防止可能出现的积分饱和的情况，在算法中加入了抗饱和环节。

2.4本论文研究的主要工作

（1）PWM的基本原理。

（2）了解电流滞环比较法控制原理。

（4）阅读国内外专家论文，了解电力电子的最新动态。

（3）研究以前的论文，来改进研究内容，最后验证整流任务，看是否达到了目的。

2PWM控制技术

2.1PWM简介

PWM的全称是PulseWidthModulation（脉冲宽度调制），它是通过改变输出方波的占空比来改变等效的输出电压。

广泛地用于电动机调速和阀门控制，比如我们现在的电动车电机调速就是使用这种方式。

　　SPWM（SinusoidalPWM）法是一种比较成熟的,目前使用较广泛的PWM法.前面提到的采样控制理论中的一个重要结论:

冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时,其效果基本相同.SPWM法就是以该结论为理论基础,用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆变电路中开关器件的通断,使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等,通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值。

2.2PWM控制原理和应用

2.2.1PWM控制的基本原理

图2.1形状不同而冲量相同的各种窄脉冲

在采样控制理论中有一个重要结论：

冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。

冲量即指窄脉冲的面积。

这里所说的效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。

如果把各输出波形用傅里叶变换分析，则其低频段非常接近，仅在高频段略有差异，例如图a、b、c所示的三个窄脉冲形状不同。

其中如2.1a为矩形脉冲，图2.1b为三角形脉冲，图2.1c为正弦半波脉冲，但它们的面积都等于1,，那么，当它们分别加在具有惯性的同一个环节上时，其输出响应基本相同。

当窄脉冲变为图2.1d的单位脉冲函数δ（t））时，环节的响应即为该环节的脉冲过渡函数。

图2.2a的电路是一个具体的例子。

图中e（t）为电压窄脉冲，其形状和面积分别如图2.1a、b、c、d所示，为电路的输入。

该输入加在可以看出惯性环节的R-L电路上，设其电路i（t）为电路的输出，图2.2b给出了不同的窄脉冲时i（t）的波形。

从波形可以看出，在i（t）的上升段，脉冲形状不同时i（t）的形状也略有不同，但其下降段则几乎相同。

脉冲越窄，个i（t）波形的差异也越小。

如果周期性地加上述脉冲，则响应i（t）也是周期性的用傅里叶级数分解后将可看出，

图2.2冲量相同的各种窄脉冲的响应波形

各i（t）在低频段的特性将非常接近，仅在高频段有所不同。

上述原理可以称之为面积等效原理，它是PWM控制技术的重要理论基础。

下面分析如何用一系列等副不等宽的脉冲来代替一个正弦波。

把图2.3的正弦波分成N等份，就可以把正弦半波看成是有N个彼此相连的脉冲序列所组成的波形。

这些脉冲宽度相等，都等于

/N,且脉冲顶部不是水平直线，而是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。

如果把上述脉冲序列利用相同数量的等副而不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲相应的正弦波部分面积相等，就得到图b所示的脉冲序列。

这就是PWM波形。

可以看出，个脉冲的幅值相等，而宽度是按正弦波规律变换的。

根据面积等效原理，PWM波形和正弦半波是等效的。

对于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得到PWM波形。

像这种脉冲的宽度按正弦波规律变化和正弦波等效的PWM波形，也称为SPWM波形。

图2.3PWM波代替正弦波

要改变等效输出正弦波的幅值时，只要按照同一比例系数改变上述各脉冲的宽度即可。

PWM波形可分为等幅PWM波河不等幅PWM波两种。

由直流电源产生的PWM波通常是等幅PWM波。

如直流斩波电路。

其PWM波都是又直流源产生的，由于直流源电源幅值基本恒定，因此PWM波是等幅的。

不管什么PWM波，都是基于面积等效原理来进行控制的，因此其本质是形同的。

2.2.2PWM计算法和调制法

（1）计算法

根据正弦波频率、幅值和半周期脉冲数，准确计算PWM波各脉冲宽度和间隔，据此控制逆变电路开关器件的通断，就可得到所需PWM波形繁琐，当输出正弦波的频率、幅值或相位变化时，结果都要变化。

（2）调制法

输出波形作调制信号，进行调制得到期望的PWM波

通常采用等腰三角波或锯齿波作为载波，腰三角波应用最多，其任一点水平宽度和高度成线性关系且左右对称与任一平缓变化的调制信号波相交，在交点控制器件通断，就得宽度正比于信号波幅值的脉冲，符合PWM的要求，调制信号波为正弦波时，得到的就是SPWM波。

调制信号不是正弦波，而是其他所需波形时，也能得到等效的PWM波。

异步调制和同步调制

载波比——载波频率fc与调制信号频率fr之比，N=fc/fr.

根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，PWM调制方式分为异步调制和同步调制

a.异步调制

异步调制——载波信号和调制信号不同步的调制方式

通常保持fc固定不变，当fr变化时，载波比N是变化的，在信号波的半周期内，PWM波的脉冲个数不固定，相位也不固定，正负半周期的脉冲不对称，半周期内前后1/4周期的脉冲也不对称，当fr较低时，N较大，一周期内脉冲数较多，脉冲不对称产生的不利影响都较小，当fr增高时，N减小，一周期内的脉冲数减少，PWM脉冲不对称的影响就变大

b.同步调制

同步调制——N等于常数，并在变频时使载波和信号波保持同步

基本同步调制方式，fr变化时N不变，信号波一周期内输出脉冲数固定，下面分析，

三相电路中公用一个三角波载波，图2.4为同步调整三相PWM波形，且取N为3的整数倍，使三相输出对称为使一相的PWM波正负半周镜对称，N应取奇数fr很低时，fc也很低，由调制带来的谐波不易滤除，r很高时，fc会过高，使开关器件难以承受。

c.分段同步调制

把fr范围划分成若干个频段，每个

频段内保持N恒定，不同频段N不

同，在fr高的频段采用较低的N，

使载波频率不致过高在fr低的频段

采用较高的N，使载波频率不致过低

为防止fc在切换点附近来回跳动，采

用滞后切换的方法同步调制比异步调

制复杂，但用微机控制时容易实现

可在低频输出时采用异步调制方式，

频输出时切换到同步调制方式，这样

把两者的优点结合起来，和分段同步

方式效果接近。

图2.4同步调制三相PWM波形

2.2.3规则采样法

按SPWM基本原理，在正弦波和三角波的自然交流电时刻控制功率器件的通断，这种生成SPWM波形的方法称为自然采样法。

自然采样法是最基本的方法，所得到的SPWM波形很接近正弦波。

但这种方法要求解复杂的超越方程，在采用微机控制技术时需花费大量的计算时间，难以在实时控制中在线计算，因而在工程上实际应用不多。

工程实用方法，效果接近自然采样法，计

算量小得多，但计算量却比自然采样法小的

多。

图2.5为规则采样法说明图。

取三角波两个

正峰值之间为一个采样周期Tc，在然采样法

中，脉冲中点不和三角波一周期的中点（即

负峰点）重合，这样就使计算大为简化。

如

图所示，三角波的负峰时刻tD对正弦信号波

采样得D点，过D作水平直线和三角波分别

交于A、B点，在A点时刻tA和B点时刻

tB控制开关器件的通断。

脉冲宽度d和用自

然采样法得到的脉冲宽度非常接近。

式中，a称为调制度，0≤a<1；wr为信号

波角频率。

从图6-12得因此可得：

三角波一

周期内，脉冲两边间隙宽度：

图2.5规则采样法

2.2.4PWM跟踪控制技术

把希望输出的波形作为指令信号，把实际波形作为反馈信号，通过两者的瞬时值比较来,决定逆变电路各开关器件的通断，使实际的输出跟踪指令信号变化。

常用的有滞环比较方式和三角波比较方式。

（1）滞环比较方式

图2.6滞环比较法控制的原理框图

基本原理是：

电压外环的任务是得到可以实现控制目标的电感电流指令值i*L,给定输出电压u*o减去测量到的实际输出电压uo的差值，经PI调节器后输出电感电流的幅值指令I*L，测量到的整流桥出口电压ud除以其幅值Um后，可以得到表示ud波形的量U’d，U’d为幅值为1的正弦波，相位与ud相同，I*L与u*d相乘，便可以得到电感电流的指令值i*L。

i*L为与ud同相位的正弦半波电流，其幅值可控制直流电压uo的大小。

电流内环的任务是通过控制开关管Q的通断，使实际的电感电流iL跟踪其指令值i*L。

此处采用滞环控制方法。

根据电感电流的公式，当Q导通是电感电流增大，二当Q关断时电感电流减小。

令i*L减去iL。

若差值△ilmin（△Ilmin<0），则令Q关断，以减小iL。

通过滞环控制，可以保证实际的电感电流iL在其指令值i*L附近波动，波动的大小与滞环宽度有个，即与设定的△iLmax和△iLmin有关。

（2）三角波比较方式

基本原理是：

通常把三角波作为载波uc，调制信号作为信号波ur，两种进行比较产生脉冲波，来作为可控器件的脉冲信号，具体不再详细阐述。

2.3PWM控制技术的地位

PWM控制技术是在电力电子领域有着广泛的应用，并对电力电子技术产生了十分深远影响的一项技术。

IGBT、电力MOSFET等为代表的全控型器件的不断完善给PWM控制技术提供了强大的物质基础，直流斩波电路实际上就是直流PWM电路，是PWM控制技术应用较早也成熟较早的一类电路，应用于直流电动机调速系统就构成广泛应用的直流脉宽调速系统。

2.3.1PWM控制技术用于交流—交流变流电路

斩控式交流调压电路和矩阵式变频电路是PWM控制技术在这类电路中应用的代表，目前其应用都还不多，但矩阵式变频电路因其容易实现集成化，可望有良好的发展前景。

2.3.2PWM控制技术用于逆变电路

PWM控制技术在逆变电路中的应用最具代表性，正是由于在逆变电路中广泛而成功的应用，才奠定了PWM控制技术在电力电子技术中的突出地位，除功率很大的逆变装置外，不用PWM控制的逆变电路已十分少见。

2.3.3PWM控制技术用于整流电路即构成PWM整流电路

可看成逆变电路中的PWM技术向整流电路的延伸，PWM整流电路已获得了一些应用，并有良好的应用前景，PWM整流电路作为对第2章的补充，可使我们对整流电路有更全面的认识。

2.3.4PWM控制技术与相位控制技术

以相控整流电路和交流调压电路为代表的相位控制技术，电力电子电路中仍占据着重要地位，以PWM控制技术为代表的斩波控制技术正在越来越占据着主导地位相位控制和斩波控制分别简称相控和斩控，把两种技术对照学习。

3功率因素校正技术

3.1功率因素校正简介

3.1.1发展历史

采用乘法器的PFC电路，其中特别是BoostPFC电路，是20世纪80年代出现的应用广泛的PFC电路。

它的显著特点是电路工作在连续导电模式（CCM）,功率因素校正电路可以获得较大的功率转换容量，适合于200W以上逆变器应用，是一种技术比较成熟的PFC电路。

要提高整流器的输入功率因素有两个途径：

一是输入电流正弦花，二是使输入电流与输入电压同相位。

直流滤波电容的值越大

RLCd的值就越大，功率因素就越低。

所以，为了提高整流器的输入功率因素，和电压跟随器PFC电路相同，必须用有源校正电路吧整流器与直流滤波电容隔开，这就要求有源校正电路必须是DC/DC变换器，为了保证输入电流正弦化并跟踪输入电压，使它们的波形相同，相位差等于零，有