单相PWM整流电路设计(电力电子课程设计)

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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。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。

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

指导教师签名：年月日

重庆大学本科学生电力电子课程设计任务书

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 -

1.1 PWM整流器产生的背景 .................................... - 5 -

1.2 PWM整流器的发展状况 .................................... - 5 -

1.3 本文所研究的主要内容 .................................... - 6 -

2.单相电压型PWM整流电路的工作原理 ............................. - 7 -

2.1电路工作状态分析 ......................................... - 7 -

2.2 PWM控制信号分析 ......................................... - 8 -

2.3 交流测电压电流的矢量关系 ............................... - 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 ......................................... - 10 -

3.2 IGBT和二极管的选型设计 ................................. - 11 -

3.3 交流侧电感的选型设计 ................................... - 11 -

3.4 直流侧电容的选型设计 ................................... - 12 -

3.5 直流侧LC滤波电路的设计 ................................ - 13 -

4.单相PWM整流电路的仿真及分析 ................................ - 13 -

4.1 整流电路的simulink仿真 ............................... - 13 -

4.2 对simulink仿真结果的分析 ............................. - 16 -

5．工作展望 ................................................... - 16 - 参考文献 ...................................................... - 17 -

1.引言

1.1 PWM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。

1.2 PWM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。

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，Hengchun Mao 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

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。

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

1p 1

两种开关模式见表1。

V1(VD1)、V4(VD4)导通V2(VD2)、V3(VD3)导通

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)>0 b)模式2，且i(t)>0

c)模式1，且i(t)<0 d)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。

2.2 PWM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。

***

（单相桥式可控整流电路设计）

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

为交流电网侧电压相量，U 为交流测电压相量，U 为交流测电图中，USABL

为交流测电流相量。感电压相量，IS

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

不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IS

wLI 也固定不变，变，因此抚U在此情况下，PWM整流电路交流侧电压相量ULSAB

为半径的圆。端点运动轨迹构成了一个以UL

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。

端点位于圆轨迹B点时，与交流电网侧当交流侧电压相量U交流侧电流相量IABS

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)所电压相量US

端点位于圆轨迹C点时，交流侧电流相量U 比交流示。当交流侧电压相量UABS

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)

端点位于圆轨迹D点时，交流侧电流相量I 与交流所示。当交流侧电压相量IABS

平行且反向，此时PWM整流电路电网侧呈负电阻特性，如图电网侧电压相量US

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 PWM AC/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：

20.3USN0.3USN L wISNwP0

所给实际参数为USN 220V， =314rad/s，P0=3KW，带入上述公式可得： L 15.4mH。

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：

L 所给实际参数为USN 220V，fs 10KHz，P0=3KW，Udc 400V带入上述公式

可得：L 9.22mH。

所以选择的交流侧电感的值9.22mH L 15.4mH，此处选择中间值L 12mH。

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：

2LISIC 2Sr UdcUdcr

所给实际参数为Udc 400V，L 12mH，IS为交流测输入的电流值，取

3000/220=13.6A,ISr为交流侧输入电流的纹波系数，取10%，Udcr为直流侧输出电压的纹波系数，取2%。

带入上述公式可得：C 139uF，为了使输出直流成分更大，此处可取大于

10倍，即取C 1600uF。

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：

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

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。

00.050.10.150.20.25

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。

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

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。

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

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).