第4章 PWM整流器控制技术

§4.4 Boost PFC控制技术简介
储存电能
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保持输 出电压
典型Boost Chopper结构
Boost PFC 电路按输出特性可以分为电压型和电流型两种； 按电源相数可划分为单相PFC和三相PFC两种；按控制方式可划 分为直接电流控制方式和电压间接控制方式。 典型控制器件：Unitrode公司PFC集成控制芯片 UC3854/2854/1854。 目前应用最多的平均电流控制的Boost PFC单相（电压型）整 流电路。具备输入功率因数达到0.99，电路结构简单紧凑、交 流输入电压范围宽、动态性能良好等等优点。
1. 滞环电流控制方式（Hysteresis Current Control）
三相PWM整流器中每一相的电流控 制器使得输入侧实际电流与给定 电流的误差约束在滞环带中。这 种控制方式电路实现简单而且动 态性能优良，具有强鲁棒性。
（3）滞环电流控制的特点 ① 具有交流侧电流正弦化、功率因数接近于1、直流侧电压纹 波小等优点； ② 系统动态响应速度快，对负载扰动具有强鲁棒性； ③ 电流误差可以约束在2倍Δh（滞环宽度）之内； ④ 系统不仅可以工作在PWM高频整流方式下，而且可以运行在 再生方式下； ⑤ 无论交流侧还是直流侧，谐波含量小，频谱具有连续性； ⑥ 开关频率随系统运行情况的变化而变化，在电流过零点处开 关频率最高； 1 f ⑦ 滞环宽度对电流畸变率的影响较大，一般有 sav
6. 输入电流谐波畸变率(Total Harmonic Distortion)
• ① 输入电流谐波有效值为
• 其中， 为输入电流的基波分量， 不仅与PWM整 流器的PWM控制方式有关，而且还与负载的阻抗有关。 • ② 电流谐波畸变率
• 其中， 效值。
、
分别为基波电流和n次谐波电流的有
§4.6 PWM整流器用于UPS
现代电力电子技术 Modern Power Electronics
教案编写：
授课教师：
肖强晖
肖强晖
廖无限
第4章 PWM整流器控制技术
• • • • • • §4.1 §4.2 §4.3 §4.4 §4.5 §4.6 引 言 PWM整流器主电路 PWM整流器的控制技术 Boost PFC控制技术简介 PWM整流器的主要性能指标 PWM整流器用于不间断电源（UPS）
三相全桥电压型 PWM高频整流器的主电路
全桥电路 交流侧滤波电感Ls
包括：全桥电路、缓冲 吸收回路、直流侧滤波 电容、均压电阻、以及 电网侧电压、电流检测 电路和直流侧电压检测 电路
各器件参数选择方法
保护措施 在实际中，一般均设置有如下保护： ① 电网电压的过压保护，采用带回差的保护； ② 电网电压的欠压保护（回差保护）； ③ 交流输入电流的过流保护，采用锁死保护（关闭）整流 器； ④ 交流输入电流的过载保护（锁死保护）； ⑤ 直流侧电压的欠压保护（回差保护），并且与PWM整流 器的软起动保护联锁去控制软起动电路； ⑥ 直流侧电压的过压保护（锁死保护）； ⑦ IGBT模块的过温保护（回差保护）。
1. 实际应用主电路结构
主电路包括直流侧平波电感LA（又称Boost电感）、单相不可 控整流电路、IGBT回路、缓冲吸收回路、高频整流二极管、 直流侧滤波电容、均压电阻、以及电网侧电压、电流检测电 路和直流侧电压检测电路等部分。
各类器件选择
保护措施 在Boost PFC 单相整流器中还必须设置一些必要的保护措 施 ： ① 电网电压的过压保护，采用带回差的保护； ② 电网电压的欠压保护（回差保护）； ③ 交流输入电流的过流保护，采用锁死保护（关闭）整流 器； ④ 交流输入电流的过载保护（锁死保护）； ⑤ 直流侧电压的欠压保护（回差保护），并且与PWM整流 器的软起动保护联锁去控制软起动电路； ⑥ 直流侧电压的过压保护（锁死保护）； ⑦ IGBT模块的过温保护（回差保护）。
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（3）滞环电流控制的特点
⑧ 每相桥臂上下开关器件互锁死区的加入增大了系统对电流控 制的失控率，使得交流输入电流波形变差，谐波成份增大，但它 对电流畸变率的影响不如滞环宽度变化造成的明显； ⑨ 交流侧滤波电感值的变化不仅影响开关频率，而且影响电流 的畸变率 ⑩ 直流侧支撑电容器值的增大虽然减小了直流侧电压纹波，但 是同时也大大降低了系统的动态响应速度。
电网谐波问题解决方案：
（2）现代解决问题的两条途径 ① 采用新型的PWM高频整流器取代传统的整流装置。 ② 采用新型的有源电力滤波器和静止无功发生器 （ASVG）。
PWM高频整流器分类： ① 中小功率PWM高频整流器。应用在通信电源、计算机电源、 充电电源等开关电源系统中。典型集成控制芯片UC3854； ② 中大功率PWM高频整流器。应用在电力牵引交流传动系统等。
§4.3 PWM整流器的控制技术
电压型PWM整流控制方式： 移相SPWM控制、空间矢量PWM控制（SVPWM）、滞环电 流控制、斜坡比较控制、间接电流控制、预测电流控制等。 向全数字化控制技术和智能化控制方向发展 PWM高频整流器控制技术具有以下几方面的要求： ① 减小交流侧输入电流的谐波畸变率，交流侧输入电流 的总畸变率低于5%； ② 提高交流输入侧的功率因数达到0.98以上； ③ 提高系统的动态响应速度，减小系统的动态响应时间； ④ 降低系统的开关损耗，提高整个系统的效率； ⑤ 减小直流侧纹波系数，减少直流侧滤波器尺寸，减轻 重量； ⑥ 提高直流侧电压的利用率。 下面就简要地阐述和分析PWM高频整流器的主要控制方式。
2. 斜坡比较控制方式（Ramp Comparision Control）
这种控制方式仍然存在两个缺点： ① 尽管使用PI调节器，稳态电流误差依然存在，由于反 馈电流中含有丰富的谐波，故PI环节的比例系数不能取值 太大； ② 电流本身的畸变会通过反馈通道得到放大，从而对开 关序列造成负面影响。
3. 电压空间矢量PWM（SVPWM）
重点和难点
• 1、PWM控制技术定义和基本原理。 • 2、PWM跟踪控制技术类型和特点。 • 3、PWM整流和逆变电路基本组成及其控制方法。
§4.1 引
言
传统整流装置的问题——谐波污染 随着电力电子装置的应用日益广泛，公用电网或电 源系统中的谐波污染也日益严重。其中，整流装置所占的比 例最大。 传统不可控整流电路有三个致命的缺陷： 电网侧输入电流谐波含量较大； 能量流向只能从交流侧 传递到直流侧； 输出直流电压不可控。 晶闸管构成的可控整流电路得到了广泛的应用， 依然存在以下几个问题： ① 交流侧输入电流畸变严重； ② 深度相控下交流侧的功率因数很低； ③ 由于电网等效内阻抗的存在所引起的电网电压波形畸 变； ④ 直流侧输出电压纹波大； ⑤ 由相控整流电源构成的直流调速系统动态响应慢。
基本控制原理:在一个开关周期Ts中，用相邻的两个有 效电压开关矢量的平均值等效三相电压合成矢量的给定值， 同时对称地插入零矢量作用时间。 由于这种控制方式的直流侧电压的利用率高（可达到 1.0，比滞环电流控制提高了15%），开关频率固定，便于全 数字化处理，因而非常适用于DSP数字控制系统中。
• （1）开关频率 • 开关频率的增大一方面增加了系统的开关损耗，另一方 面开关周期的减小势必需要提高DSP的运算速度。显然， 仅仅依靠提高开关频率来减小电流的畸变率不是一条好 的途径。
（4）滞环电流控制的缺陷 ① 由于每相电流控制器没有直接的联系，必然存在非优化 的开关过程，在低调制度时会造成开关频率很高； ② 由于相间实际存在的相互影响，误差经常超出滞环带； ③ 开关频率不固定，它受电路参数、负载情况及滞环宽度 等因素的制约； ④ 谐波电流频谱随机分布，这给交流侧滤波器的设计带来 了困难。 针对前两个问题，可以通过（d，q）坐标系下的滞环电流 控制或空间矢量PWM控制予以解决；针对后两个问题，可以通 过斜坡比较控制和空间矢量PWM控制加以解决。
2. 控制结构
目前，UC3854A/B集成控制芯片可以达到的最佳控制效果为： ① 电网输入电流的谐波畸变率控制在5%以下；② 电网输入功 率因数控制在0.95以上，最好可达到0.99。
3. Boost PFC 控制技术的特点 ① 具有电路结构简单紧凑、交流输入电压范围宽、动态性能 良好等等优点； ② 对单相电网输入电流的补偿效果好，但是严重依赖于电网 电压的波形质量，也就是说对电网电压波形的适应性差； ③ 直流平波电感的设计应该以控制其温升为目标，以提高其 使用寿命； ④ QA（IGBT器件）回路中应适当地串入一个限流电阻或饱和 电感（图4-5中的RQ或LQ），以降低IGBT器件的损坏率； ⑤ 高频整流二极管DA采用快恢复二极管，以缩短反向恢复时 间，减小器件的损耗； ⑥ 直流侧滤波用电解电容器的容量太大，在实际产品中有的 竟然采用30 p.u.的取值，比三相PWM整流器的直流侧电解电容 器取值（≤4.0 p.u.）大得太多； ⑦ 能量只能单方向流动，即只能从电网流向负载。
§4.5 PWM整流器的主要性能指标
ku 1. 直流侧电压的利用率
2. 纹波系数RF（Ripple factor）
3. 输入功率因数PF（Power factor）
4. 对三相不平衡电网电压的适应能力 ① 三相线电流幅值差≤±1%～±3%（带100%的直流负载）； ② 三相线电流相位移差≤±1º ～±2º （带100%的直流负载）。 5. 电网电压允许的频率变化范围 典型值为50Hz±5%，而PWM整流器在有些UPS产品的应用中， 如美国Liebert公司生产的GXT系列在线式UPS产品（0.7～ 5kVA），其允许的电网频率变化范围可达到45～65Hz。
国内外限制谐波的标准：
1984年：SD126-84：电力系统谐波管理暂行规定； 1993年：国家标准（GB/T14549-93：电能质量、公用电网 谐波）
国际标准：IEEE519-1992和IEC555-2
电网谐波问题解决方案：
（1）传统方法：采用无源LC滤波器来抑制谐波。 缺点： ① 对谐波补偿的效果受电力系统阻抗的影响大；② 对于 电网频率偏移和谐波状况经常变化的情况补偿效果不好； ③ 连接的其它非线性负载产生的谐波会流入LC滤波器，过负荷； ④ 电网阻抗和LC滤波器在某些频率下可能产生串并联谐振； ⑤ 整流装置的低次谐波成份较多，LC滤波器的容量大、体积 大。 因此，对新型的PWM高频整流器进行分析具有十分重要而迫 切的意义。
§4.2 PWM整流器主电路
PWM高频整流器的主电路拓扑结构基本原则：在保证 系统的性能指标的前提下，尽量简化结构，减少开关器件的数 量，降低总成本，确保系统的可靠运行。 根据输出特性可以划分为电压型和电流型两种；按 电源相数可划分为单相半桥、单相全桥和三相全桥电路三种； 按桥臂端口输出电压电平数可划分为二电平和三电平PWM高频 整流器。 目前得到广泛关注的是三相二电平电压型PWM高频整 流器。本节分析在实际应用中采用的三相PWM高频整流器主电 路结构。
近年来，Boost PFC单相整流技术被运用到中型功率（10～ 60kVA）和小型功率（≤15kVA）不间断电源（UPS）产品中。 采用这种整流技术后，可以将UPS的输入功率因数提高到0.98， 同时控制其输入电流畸变率低于3～5%。
下面以美国Liebert公司生产的GXT系列在线式UPS产品 （0.7～5kVA）为例，具体说明采用Boost PFC单相整流技术 后UPS产品的输入特性。 ① 输入功率因数提高到0.95～0.98以上，满载可达0.98； ② 可基本消除UPS对电网的谐波干扰； ③ 允许的输入电压范围为120V～276V（有效值） ④ 具有很宽的电网频率同步跟踪范围（45～65Hz）。
• （2）电压空间矢量PWM控制的特点 • ① 具有容易实现系统交流侧线电流正弦化、输入功率因 数为1、直流侧输出电压纹波小以及直流侧电压的利用率 高等优点； • ② 和滞环电流控制相比，在同样的交流侧线电流总畸变 率要求下，电压空间矢量PWM控制的开关频率大大减小； • ③ 能够有效地优化开关序列，降低系统的开关损耗，提 高系统的效率； • ④ 由于开关频率固定，交流侧滤波电感容易设计； • ⑤ 采用DSP数字控制方案后实现极为容易。