电子及基础应用 8

第4章交流-直流变换电路概述能实现交流电能转换为直流电能的电路称为整流电路或整流器（Rectifier）1、相控整流电路（或可控整流电路）：利用晶闸管的可控单向导电性，控制其触发脉冲出现的时刻能把交流电能变换为大小可调的直流电能，以满足各种直流负载的要求。2、PWM整流电路：把逆变电路中的SPWM控制技术用于整流电路（采用全控器件），通过对PWM整流电路的适当控制，可以使其输入电流非常接近正弦波，且和输入电压同相位，功率因数近似为1，这种整流电路是近年的研究热点，具有广泛的应用前景。4.1单相可控整流电路4.1.1相控整流的概念及原理输出直流电压的平均值Ud为：

通过调节α角可以改变输出直流电压的大小，α角称为控制角，是指从晶闸管开始承受正向阳极电压到施加触发脉冲为止的电角度。晶闸管在一个电源周期中处于通态的电角度，称为导通角，用θ表示。改变控制角α大小的过程称为移相，移相范围是指通过移相改变控制角α，使整流输出电压从零到最大变化的控制角α变化范围。4.1.2单相桥式全控整流电路1.带电阻负载的工作情况工作原理及波形分析VT1和VT4组成一对桥臂，在u2正半周串联承受电压u2，得到触发脉冲即导通，当u2过零时关断；VT2和VT3组成另一对桥臂，在u2负半周串联承受电压u2，得到触发脉冲即导通，当u2过零时关断。

1、电阻负载电路工作过程4.1.2单相桥式全控整流电路

（电阻负载）数量关系

a角的移相范围为180

4.1.2单相桥式全控整流电路

（电阻负载）不考虑变压器的损耗时，要求变压器的容量为S=U2I2为便于讨论，假设电路已工作于稳态，id的平均值不变。假设负载电感很大，负载电流id连续且波形近似为一水平线。

u2过零变负时，由于电感的作用晶闸管VT1和VT4中仍流过电流id，并不关断。至ωt=π+a时刻，给VT2和VT3加触发脉冲，因VT2和VT3本已承受正电压，故两管导通。4.1.2单相桥式全控整流电路

（阻感负载）VT2和VT3导通后，u2通过VT2和VT3分别向VT1和VT4施加反压使VT1和VT4关断，流过VT1和VT4的电流迅速转移到VT2和VT3上，此过程称换相，亦称换流。5.1.2单相桥式全控整流电路

（阻感负载）4.1.2单相桥式全控整流电路

（阻感负载）输出电压

晶闸管移相范围为90

。4.1.2单相桥式全控整流电路

（阻感负载）晶闸管承受的最大正反向电压均为。晶闸管导通角θ与a无关，均为180

晶闸管电流的平均值和有效值为

变压器二次侧电流i2的波形为正负各180

的矩形波，其相位由a角决定，有效值I2=Id。4.1.2单相桥式全控整流电路

（反电动势负载）在|u2|>E时，才有晶闸管承受正电压，有导通的可能导通之后，ud=u2，直至|u2|=E，id即降至0，使得晶闸管关断，此后ud=E4.1.2单相桥式全控整流电路

（反电动势负载）电路工作过程4.1.2单相桥式全控整流电路

（反电动势负载）与电阻负载时相比，晶闸管提前了电角度δ停止导电，δ称为停止导电角。 在a角相同时，整流输出电压比电阻负载时大。.id波形在一周期内有部分时间为0的情况，称为电流断续。与此对应，若id波形不出现为0的点的情况，称为电流连续。负载为直流电动机时，如果出现电流断续则电动机的机械特性将很软。

4.1.2单相桥式全控整流电路

（反电动势负载，串平波电抗器）一般在主电路中直流输出侧串联一个平波电抗器，用来减少电流的脉动和延长晶闸管导通的时间整流电压ud的波形和负载电流id的波形与电感负载电流连续时的波形相同，ud的计算公式亦一样为保证电流连续所需的电感量L可由下式求出4.2三相桥式可控整流电路应用最为广泛共阴极组—阴极连接在一起的3个晶闸管（VT1，VT3，VT5）共阳极组—阳极连接在一起的3个晶闸管（VT4，VT6，VT2）编号：1、3、5，4、6、2晶闸管的导通次序为： VT1－VT2－VT3－VT4－VT5－VT6a=0

时的情况假设将电路中的晶闸管换作二极管进行分析对于共阴极组的3个晶闸管，阳极所接交流电压值最大的一个导通对于共阳极组的3个晶闸管，阴极所接交流电压值最低（或者说负得最多）的导通任意时刻共阳极组和共阴极组中各有1个晶闸管处于导通状态4.2.1电阻负载

1、a=0

从相电压波形看，共阴极组晶闸管导通时，ud1为相电压的正包络线，共阳极组导通时，ud2为相电压的负包络线，ud=ud1－ud2是两者的差值，为线电压在正半周的包络线直接从线电压波形看，ud为线电压中最大的一个，因此ud波形为线电压在正半周的包络线三相桥式全控整流电路电阻负载a=0

时晶闸管工作情况时段IIIIIIIVVVI共阴极组中导通的晶闸管VT1VT1VT3VT3VT5VT5共阳极组中导通的晶闸管VT6VT2VT2VT4VT4VT6整流输出电压udua-ub=uabua-uc=uacub-uc=ubcub-ua=ubauc-ua=ucauc-ub=ucb

三相桥式全控整流电路的特点 （1）2管同时通形成供电回路，其中共阴极组和共阳极组各1，且不能为同1相器件 （2）对触发脉冲的要求：按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的顺序，相位依次差60

共阴极组VT1、VT3、VT5的脉冲依次差120

，共阳极组VT4、VT6、VT2也依次差120

同一相的上下两个桥臂，即VT1与VT4，VT3与VT6，VT5与VT2，脉冲相差180

三相桥式全控整流电路的特点（续） （3）ud一周期脉动6次，每次脉动的波形都一样，故该电路为6脉波整流电路（4）需保证同时导通的2个晶闸管均有脉冲（启动或电流断续时），可采用两种方法：一种是宽脉冲触发；另一种是双脉冲触发（常用）（5）晶闸管承受的电压波形与三相半波时相同，晶闸管承受最大正、反向电压的关系也相同2、

=30

a=30

时的工作情况区别在于：晶闸管起始导通时刻推迟了30

，组成ud的每一段线电压因此推迟30

从wt1开始把一周期等分为6段，ud波形仍由6段线电压构成，每一段导通晶闸管的编号等仍符合表2-1的规律变压器二次侧电流ia波形的特点：在VT1处于通态的120

期间，ia为正，ia波形的形状与同时段的ud波形相同，在VT4处于通态的120

期间，ia波形的形状也与同时段的ud波形相同，但为负值。a

=60

时工作情况ud波形中每段线电压的波形继续后移，ud平均值继续降低。a=60

时ud出现为零的点小结当a≤60

时，ud波形均连续，对于电阻负载，id波形与ud波形形状一样，也连续3、

=60

当a

>60

时，如a

=90

时小结当a

>60

时，ud波形每60

中有一段为零，ud波形不能出现负值带电阻负载时三相桥式全控整流电路a角的移相范围是120

4、

＞60

a≤60

时ud波形连续，工作情况与带电阻负载时十分相似，各晶闸管的通断情况、输出整流电压ud波形、晶闸管承受的电压波形等都一样a≤60

时区别在于：由于负载不同，同样的整流输出电压加到负载上，得到的负载电流id波形不同。阻感负载时，由于电感的作用，使得负载电流波形变得平直，当电感足够大的时候，负载电流的波形可近似为一条水平线。4.2.2阻感负载（电流连续时）a>60

时（如a＝90

）阻感负载时的工作情况与电阻负载时不同，电阻负载时ud波形不会出现负的部分，而阻感负载时，由于电感L的作用，ud波形会出现负的部分带阻感负载时，三相桥式全控整流电路的a角移相范围为90

3．定量分析当整流输出电压连续时（即带阻感负载时，或带电阻负载a≤60

时）的平均值为：

带电阻负载且a>60

时，整流电压平均值为：输出电流平均值为：Id=Ud

/R当整流变压器采用星形接法，带阻感负载时，变压器二次侧电流波形，为正负半周各宽120

、前沿相差180

的矩形波，其有效值为：

晶闸管电压、电流等的定量分析与三相半波时一致。三相桥式全控整流电路接反电势阻感负载时，在负载电感足够大足以使负载电流连续的情况下，电路工作情况与电感性负载时相似，电路中各处电压、电流波形均相同，仅在计算Id时有所不同，接反电势阻感负载时的Id为：

式中R和E分别为负载中的电阻值和反电动势的值。4.2.3反电势负载4.3可控整流电路的有源逆变工作状态

无源逆变：逆变后的交流电是直接提供给负载；

有源逆变：逆变后的交流电是馈送到交流电网。ud＞EM,电动机运行于电动状态，吸收来自整流装置的电能。ud和电枢电动势EM的顺向串联，R∑很小，短路。有源逆变的条件：（1）整流器负载含有直流电动势，其极性需和晶闸管的导通方向一致，其值应大于整流器直流侧的平均电压。（2）整流器的晶闸管控制角

＞90

，整流器输出电压反向，即Ud为负值。Ud=2.34U2cos

整流输出电流平均值式中：E和Ud都为绝对值。通过整流器输送到交流电源的有功功率为

三相桥式全控整流电路工作于有源逆变状态时的电压波形。4.5PWM整流技术及功率因数控制4.5.1AC-DC电路的输入电流谐波分量大量谐波电流分量倒流入电网，造成对电网的谐波“污染”；二次效应使电压发生畸变；输入端功率因数下降，负载可以得到的有功功率减小。4.5.2功率因数和THD1.线性电路功率因数的定义

由于整流电路中二极管的非线性，尽管输入电压为正弦波，电流却为严重非正弦，因此线性电路的功率因数计算不再适用于AC-DC变流电路。设AC-DC变流电路的输入电压Ui（有效值U）为正弦，输入电流为非正弦，其有效值为：式中，I1、I2、…、In…分别为电流基波分量、二次谐波、…、n次谐波电流的有效值。设基波电流I1滞后Ui，相位差为

，则有功功率和功率因数可表示为

基波电流相对值（以非正弦电流有效值I为基准），称为畸变因数，cos

称为位移因数，即功率因数为畸变因数和位移因数的乘积。当

=0时，PF=I1/I。总谐波畸变（THD）Ih为所有谐波电流分量的总有效值

当

=0时，

PF0.58120.99030.9950.998750.99955THD%（计算值）140141053THD%（实测值）

1074.27

已知PF值时THD计算结果举例（计算时设

=0）由上表可见，当THD≤5%时，PF值可控制在0.999左右。4.5.3单相桥式不控整流器的单位功率因数校正（APFC）

单相桥式不可控整流器最为常见的功率因数校正路，由二极管整流桥加上Boost电路构成，通常简称为BoostAPFC。这里BoostAPFC电路要实现两个功能：（1）控制电感电流跟踪整流电压，实现输入电流的正弦化；（2）调节直流输出电压ud，确保在宽输入电压范围内保持输出基本稳定。

由于是升压电路，输出电压要比整流电压的幅值高，通常控制输出电压为400V左右，高于全球通用输入电压（85～264VAC）上限264VAC的峰值。Boost电路的输入电压为输入交流电压经不可控整流器后得到的正弦半波电压uin(t)=Um|sinωt|，若控制输出电压ud为恒定值Ud。当BoostAPFC变换器工作在电感电流连续模式（CCM）时，其占空比的表达式为上式说明在一个电源周期内，占空比D为时变值，且必须按正弦绝对值变化。

BoostAPFC采用双闭环控制，即电压外环和电流内环，该电路实现功率因数校正的基本原理是：直流输出电压给定信号ud*和实际输出直流电压采样值ud比较后送入电压调节器，电压调节器的输出为一直流电流指令信号id，id和整流后的正弦电压采样信号U相乘得到直流输入电流（电感电流）的波形指令信号i*，该指令信号和实际电感电流采样信号比较后，通过电流调节器（图中的电流跟踪控制）的输出对开关器件进行控制，便可使电感电流（输入直流电流）跟踪指令值，这样交流测电流波形将近似成为与交流电压同相位的正弦波，电路的主要波形如图。1、基于UC3854的功率因数校正电路2、基于NCP1654的功率因数校正电路4.5.4单相桥式PWM整流器PWM整流器与晶闸管相控整流不同之处是整流桥采用可关断器件和PWM控制，属于斩控式整流。SPWM控制的逆变器输出为较好的正弦波，有效地减少了交流侧谐波。桥式电路既可以用于逆变也可以整流，电路的工作状态（整流和逆变）主要取决于控制和直流侧电压，适当的控制既可以将直流变为交流（逆变），也可以将交流变为直流（整流），即一台变流器既可用于整流也可用于逆变并控制电能双向流动，采用PWM控制的桥式变流电路现在一般称为PWM整流器。桥式变流器交流侧连接电源时，通过PWM控制可控制交流侧电流与交流电源电压的相位，即可以控制交流侧的功率因数。1.单相桥式PWM整流的电路特点

单从二极管看，交流电源和四个续流二极管组成不控整流电路，在E＜Ud时，电流id方向为正；单从直流电源和开关管看电路为逆变器，在E＞Ud时，id方向为负，而整个电路则是整流和逆变的结合，开关管的通断将影响二极管整流的工作状态。2.整流工作状态（E＜Ud）在us正半周，整流器A点电位髙于B点，若有Q2或Q3触发，Q2和D4或

Q3和D1导通将短路AB两点，交流侧电流is上升，在Q2或Q3关断时，电源us和电感电动势uL将共同经D1和D4向电容充电，us负半周的工作情况与正半周相同，在Q1和Q4触发时Q1和D3或Q4和D2的导通将短路AB两点，is负向上升，关断时电源us和电感电势uL经D3和D2向电容充电，电感

L和变流器组成了Boost升压电路，直流侧可有较髙电压。通过电路SPWM脉宽控制可以调节直流电压Ud，调节SPWM的相位可以控制交流侧的功率因数。3.逆变工作状态（E＞Ud）

单相PWM整流器若E＞Ud，直流侧电流id将改变方向，交流侧电流is也改变方向从变流器流出，直流电源E输出电能，经变流器流向交流侧电源us，整流器工作于逆变状态，其工作与单相PWM逆变器相同。

归纳PWM整流器，若整流器交流侧电压us不变，调节脉冲宽度可以调节直流侧电压Ud，在Ud＞E时，io自变流器直流侧输出，变流器工作于整流状态。若PWM整流器直流侧电源电压E不变，调节脉冲宽度可以调节交流侧电压uAB，在uAB＞us时，交流侧电流自变流器流出，这时变流器工作在逆变状态。4.PWM整流器工作过程和波形分析

在单相桥式PWM整流器每个导通区段，四个IGBT中同时驱动两个，共有六种组合，因为Q1和Q2驱动信号互补，Q3和Q4驱动信号互补，即Q1和Q2或Q3和Q4不能同时导通，去除这两种情况，还有Q1和Q3、Q2和Q4、Q1和Q4、Q2和Q3四种组合，这四种组合，电路有三种工作模式。模式一uAB=0,id=0

在us＞0时，同时驱动Q1、Q3，则有电流自A→D1→Q3→B，Q1因反偏不会导通；同时驱动Q2、Q4，则有电流自A→Q2→D4→B，Q4因反偏不会导通。在us＜0时，同时驱动Q1、Q3，则有电流自B→D3→Q1→A，Q3因反偏不会导通；同时驱动Q2、Q4，则有电流自B→Q4→D2→A，Q2因反偏不会导通。这两种情况AB两点均被短路，模式二uAB=±Ud，id方向为正。要获得id正方向电流，可能的通路是D1和D4导通或D3和D2导通。在D1和D4导通时，uAB=Ud，is方向为正；在D3和D2导通时，uAB=－Ud，is方向为负。在模式二，Q1、Q4或Q3、Q2即使驱动也不会导通。模式三

uAB=±Ud，id方向为负

id为负方向电流，则必然是Q1、Q4导通或Q2、Q3导通。若驱动Q1、Q4导通，电流id经Q4、Q1流向电源us，is方向为负，uAB=Ud；若驱动Q2、Q3导通，电流id

经Q2、Q3流向电源us，is方向为正，uAB

=－Ud。在模式二和模式三时都有通路的电压方程当PWM整流器采取单极倍频正弦脉宽调制时，在区段1驱动Q1、Q3，有正向is经D1、Q3使AB端短路，电感电流上升，电感储能增加（模式一）。区段2时Q1、Q4驱动，正向is经D1、D4流向负载，Q1、Q4受反向电压，虽被驱动但不能导通（模式三）。区段3驱动Q2和Q4,但是D1与D4导通AB端短路（模式一），如此进行得到AB两端电压波形如图b，其中u'AB为uAB的基波分量。图c为交流侧电流is波形，其中i's为电流的基波分量。调节驱动脉冲的宽度，可以调节uAB基波分量u'AB的幅值，is也随之改变，直流侧的输出平均电压Ud也随驱动脉冲宽度而改变。当uAB与is同向时（时区a、c），us经二极管桥流向直流侧输出电能；当uAB与is反向时（时区b、d），us吸收电能，电容输出电能。时区a、c宽于时区b、d，直流侧平均电流Id＞0，意味着电路处于整流状态。4.5.5PWM整流器交流侧功率因数

交流侧等效电路

PWM变流器功率因数控制原理

根据给定的功率因数λ*计算功率因数角φ，λ＝cosφ，用锁相环PLL检测us相位φ1，然后由电流给定Is计算电流is*，is*=Issin（φ+φ1），将is*与实测电流is比较，经滞环控制器驱动Q1～Q4，使is跟踪is*变化从而控制电流与电压us的相位，进行功率因数控制。4.5.6单相半桥式和三相桥式PWM整流4.5.7无桥PFC技术

为解决传统整流桥+Boost电路电流通路上二极管损耗过大的问题，提高变换效率，提出了无桥PFC电路。所谓“无桥”，也就是没有二极管整流桥，常见的单相无桥PFC电路有双Boost无桥PFC和图腾柱无桥PFC电路，目前应用最为广泛的是图腾柱无桥PFC电路。

图腾柱无桥PFC电路中两个开关器件上下串联构成一侧桥臂，而另一侧桥臂采用二极管构成。该电路中开关或二极管都是上下串联的，顾名图腾柱。该电路在交流正、负半轴时的电路导通模式如图所示。

图腾柱电路中处于上位的开关器件VF2需要浮地驱动，在一定程度上增加了电路的复杂性；更为重要的是上管若采用普通硅MOSFET时，其在关断时体二极管反向恢复造成较大的电流倒灌脉冲，引起很大的损耗并影响到电路的可靠性，使无桥低损耗的优势大打折扣甚至抵消。因此，如果采用硅M