第五章 PWM整流电路
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PWM整流电路的分类（续4）
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
5
Hale Waihona Puke 1.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: I I 1 (5-8) I 1 THD I I
1 1 2 2 1 n2 2 n
(5-9) 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.
3
5.1.1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) uN U Nm sin t 则网侧电流应为 (5-2) iN I Nm sin t 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) Pn P1 Pn
15
PWM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
7
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 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 的电源装臵，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.
8
5.1.2 传统整流电路存在的问题
17
PWM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(Neutral Point Clamped PWM Rectifiers，缩称NFCPWMRFC)属于后者。
uL1=us - Uo=USm - Uo
diL1/dt=1/L1(USm─Uo )
(5-20) (5-22)
diL2/dt=-Uo/L2 在节点A有:
(5-23)
, iD1 =0 上式表明，在本时区中有L1储能，L2放能，UL1>0，UL2<0， iL1上升,而iL2下降，其速率取决于L1(L2)、Usm和Uo值.
26
图5-3
1．L1储能期(时区A)
式中，
(续1)
由电源经L1和负载流过，由图中UL1的极性和L1 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
L1
i
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).
16
PWM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(Power Factor Correction，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；
11
2、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。
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
14
5.1.3 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。
12
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。
13
3．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。
18
PWM整流电路并可分类（续3）
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。
9
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：
10
不控电路
图5—1b
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；
n 1
式中, P1是基波有功功率；S是表观功率, Pn 谐波有功功率。
4
S
n2
S
1.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: Pn 0 n2 即 P /S (5-4) 1 P U1 I1 cos 1 对单相电路 (5-5) 1 S UI U1I (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。 这里是 由于电 将式(5-5)和式(5-6)代人式(5-4)有: 网电压 ( I1 / I ) cos 1 cos 1 (5-7) 谐波较 小的原 因 式中, I1 / I (µ--电流正弦因数 )
20
PWM整流电路的分类（续5）
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。
21
5.2 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。
22
5.2.1 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5-2
23
5.2.1 倍流整流电路
（续2）
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)
24
5.2.1 倍流整流电路 （续3）
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.
25
1．L1储能期(时区A)
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: iL= iL1+ iL2 =ic+Io
6
THD
In I n2 1
2
2.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p0>0; 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p0<0; 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。
图5-2b
28
27
iL1= iN
2．L1
L2放能期(时区B)
☺ 对应于us=0的，由图5-2b
可见，本时区宽度为τ k， 等效电路如图5-3b. ☺L1和L2一起向负载释放能 量以维持iL连续并保证 i0≡I0。按图5-2a所示正方 向，在本时区有： uL1=uL2= - Uo （5-28） diL1/dt=diL2/dt= - Uo/L （5-29）
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
1
5.1 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 流电源装臵.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臵的 接口电路，其性能将影响电网的运行和电 能质量。
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: cos 1 cos (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： Q1 U1 I1 sin 1 U1I1 sin (5-16)
2
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。
PWM整流电路的分类（续4）
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
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Hale Waihona Puke 1.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: I I 1 (5-8) I 1 THD I I
1 1 2 2 1 n2 2 n
(5-9) 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.
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5.1.1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) uN U Nm sin t 则网侧电流应为 (5-2) iN I Nm sin t 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) Pn P1 Pn
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PWM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
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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 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 的电源装臵，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.
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5.1.2 传统整流电路存在的问题
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PWM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(Neutral Point Clamped PWM Rectifiers，缩称NFCPWMRFC)属于后者。
uL1=us - Uo=USm - Uo
diL1/dt=1/L1(USm─Uo )
(5-20) (5-22)
diL2/dt=-Uo/L2 在节点A有:
(5-23)
, iD1 =0 上式表明，在本时区中有L1储能，L2放能，UL1>0，UL2<0， iL1上升,而iL2下降，其速率取决于L1(L2)、Usm和Uo值.
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图5-3
1．L1储能期(时区A)
式中，
(续1)
由电源经L1和负载流过，由图中UL1的极性和L1 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
L1
i
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).
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PWM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(Power Factor Correction，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；
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2、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。
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
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5.1.3 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。
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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。
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3．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。
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PWM整流电路并可分类（续3）
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。
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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：
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不控电路
图5—1b
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；
n 1
式中, P1是基波有功功率；S是表观功率, Pn 谐波有功功率。
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S
n2
S
1.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: Pn 0 n2 即 P /S (5-4) 1 P U1 I1 cos 1 对单相电路 (5-5) 1 S UI U1I (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。 这里是 由于电 将式(5-5)和式(5-6)代人式(5-4)有: 网电压 ( I1 / I ) cos 1 cos 1 (5-7) 谐波较 小的原 因 式中, I1 / I (µ--电流正弦因数 )
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PWM整流电路的分类（续5）
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。
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5.2 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。
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5.2.1 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5-2
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5.2.1 倍流整流电路
（续2）
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)
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5.2.1 倍流整流电路 （续3）
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.
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1．L1储能期(时区A)
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: iL= iL1+ iL2 =ic+Io
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THD
In I n2 1
2
2.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p0>0; 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p0<0; 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。
图5-2b
28
27
iL1= iN
2．L1
L2放能期(时区B)
☺ 对应于us=0的，由图5-2b
可见，本时区宽度为τ k， 等效电路如图5-3b. ☺L1和L2一起向负载释放能 量以维持iL连续并保证 i0≡I0。按图5-2a所示正方 向，在本时区有： uL1=uL2= - Uo （5-28） diL1/dt=diL2/dt= - Uo/L （5-29）
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
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5.1 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 流电源装臵.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臵的 接口电路，其性能将影响电网的运行和电 能质量。
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: cos 1 cos (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： Q1 U1 I1 sin 1 U1I1 sin (5-16)
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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。