脈寬調制整流電路簡介

摘要：脈寬調制整流技術具有非常廣闊的應用前景。從功率器件，主電路拓樸和控制方法三個方面對其進行了詳細的介紹，并對其未來發(fā)展進行了預測。

關鍵詞：脈寬調制整流器；功率器件；電路拓撲；控制方法

0??? 引言

??? 隨著電力電子技術的迅速發(fā)展，各種電力電子裝置在電力系統(tǒng)、工業(yè)、信息、交通、家庭等眾多領域中的應用日益廣泛。電力電子裝置的非線性，引起網(wǎng)側電流、電壓波形的嚴重畸變，導致了日趨嚴重的諧波污染。相關資料表明，電力電子裝置生產(chǎn)量在未來的十年中將以每年不低于10％的速度遞增，由這類裝置所產(chǎn)生的高次諧波約占總諧波源的70％以上。因此，諧波治理勢在必行。

??? 為了抑制電力電子裝置產(chǎn)生的諧波，功率因數(shù)校正技術應運而生。本文主要對與PWM整流器相關的功率開關器件、主電路拓撲結構和控制方式等進行詳細說明，在此基礎上對PWM整流技術的發(fā)展方向加以探討。

1??? 功率開關器件

??? PWM整流器的基礎是電力電子器件，其與普通整流器和相控整流器的不同之處是采用了全控型器件。目前在PWM整流器中得到廣泛應用的電力電子器件主要有如下幾種。

1.1??? 門極可關斷晶閘管(GTO)

??? GTO是最早的大功率可關斷器件，是目前阻斷電壓最高和通態(tài)電流最大的全控型器件，已達6kV/6kA的制造水平。它由門極控制導通和關斷，具有通過電流大、通態(tài)電壓低、導通損耗小，dv/dt耐量高等優(yōu)點，在大功率的場合應用較多。但是，GTO的缺點也很明顯，諸如其驅動電路復雜并且驅動功率大，導致關斷時間長，限制了器件的開關頻率；關斷過程中的集膚效應容易導致局部過熱，嚴重情況下使器件失效；為了限制dv/dt，需要復雜的緩沖電路，這些都限制了GTO在各個領域的應用，現(xiàn)在GTO主要應用在中、大功率場合。

1.2??? 電力晶體管（GTR）

??? 電力晶體管又稱為巨型晶體管，是一種耐高壓、大電流的雙極型晶體管，該器件與GTO一樣都是電流控制型器件，因而所需驅動功率較大，但其開關頻率要高于GTO，因而自20世紀80年代以來，主要應用于中小功率的變頻器或UPS電源等場合。目前其地位大多被絕緣柵雙極晶體管(IGBT)和功率場效應管（PowerMOSFET）所取代。

1.3??? 功率場效應管（PowerMOSFET）

??? 功率場效應管是用柵極電壓來控制漏極電流的，屬于電壓控制型器件，因此，它的第一個顯著特點是驅動電路簡單，需要的驅動功率小；第二個顯著特點是開關速度快，工作頻率高。另外，Power MOSFET的熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTR。但是Power MOSFET電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過10kW的場合。

1.4??? 絕緣柵雙極晶體管(IGBT)

??? IGBT是后起之秀，集MOSFET和GTR的優(yōu)點于一身，既具有MOSFET的輸入阻抗高、開關速度快的優(yōu)點，又具有GTR耐壓高、流過電流大的優(yōu)點，是目前中等功率電力電子裝置中的主流器件。目前的制造水平已經(jīng)達到3.3kV/1.2kA。柵極為電壓驅動，所需驅動功率小，開關損耗小、工作頻率高，不需緩沖電路，適用于較高頻率的場合。其主要缺點是高壓IGBT內阻大，通態(tài)電壓高，導致導通損耗大；在應用于高（中）壓領域時，通常須多個串聯(lián)。

1.5??? 集成門極換流晶閘管(IGCT)和對稱門極換流晶閘管(SGCT)

??? IGCT是在GTO的基礎上發(fā)展起來的新型復合器件，兼有MOSFET和GTO兩者的優(yōu)點，又克服了兩者的不足之處，是一種較為理想的MW級的高（中）壓開關器件。與MOSFET相比，IGCT通態(tài)電壓更低，承受電壓更高，通過電流更大；與GTO相比，通態(tài)電壓和開關損耗進一步降低，同時使觸發(fā)電流和通態(tài)時所需的門極電流大大減小，有效地提高了系統(tǒng)的開關速度。IGCT采用的低電感封裝技術使得其在感性負載下的開通特性得到顯著改善。與GTO相比，IGCT的體積更小，便于和反向續(xù)流二極管集成在一起，這樣就大大簡化了電壓型PWM整流器的結構，提高了裝置的可靠性。其改進形式之一稱為對稱門極換流晶閘管(SGCT)，兩者的特性相似，不同之處是SGCT可雙向控制電壓，主要應用于電流型PWM中。目前，兩者的制造水平已經(jīng)達到6kV/6kA。

2??? PWM整流器的主電路拓撲結構

??? PWM整流器根據(jù)主電路中開關器件的多少可以分為單開關型和多開關型；根據(jù)輸入電源相數(shù)可以分為單相PWM整流電路和三相PWM整流電路；根據(jù)輸出要求可以分為電壓源型和電流源型。下面介紹幾種常見的三相PWM整流電路的拓撲結構并簡要分析它們的工作特性。

2.1??? 三相單開關PWM整流電路

??? 三相單開關PWM整流器的主電路拓樸結構主要有如下幾種。

2.1.1??? 單開關Boost型（升壓型）

??? 電路如圖1所示，其中輸出電壓恒定，工作于電流斷續(xù)模式（DCM），這種電路結構簡單，在PWM整流電路中應用廣泛。

圖1??? 三相單開關Boost型

2.1.2??? 單開關Buck型（降壓型）

??? 電路如圖2所示，與升壓型成對偶關系，其輸出電流恒定，輸出電壓較低，工作于斷續(xù)電流模式（DCM）。

圖2??? 三相單開關Buck型

2.2??? 三相多開關PWM整流電路

??? 三相多開關PWM整流器的主電路拓樸結構主要有如下幾種。

2.2.1??? 六開關Boost型

??? 亦稱為兩電平電壓型整流器或三相橋式可逆PWM整流器。電路如圖3所示，每個橋臂上的可關斷開關管都帶有反并聯(lián)二極管，可以實現(xiàn)能量的雙向流動。以A相為例予以說明：當A相下橋臂中的開關管導通時，A相儲能電感儲能；當其關斷時，A相電感儲能通過上橋臂的二極管向直流側釋放磁能。因此，從廣義上講，這種橋式PWM可逆整流器拓撲，仍屬于升壓式結構。六開關Boost型PWM整流器的特點是結構簡單且宜于實現(xiàn)有源逆變，因而是目前應用和研究最為活躍的一種類型，也是多開關PWM整流電路中應用最為廣泛的一種。

圖3??? 三相多開關Boost型

2.2.2??? 六開關Buck型

??? 也可稱為兩電平電流型整流器，電路如圖4所示，直流側電抗器一般要求很大。由于電流型變換器的特點，交流側輸入LC濾波器通常是必不可少的，以改善電流波形和功率因數(shù)。這種電路拓樸較適合于空間矢量調制，且有降壓作用。其缺點是直流側大電感內阻較大，消耗功率較大導致其效率略低于六開關Boost型。

圖4??? 三相多開關Buck型

2.2.3??? 三電平PWM整流電路

??? 在大功率PWM變流裝置中，常采用拓樸結構如圖5所示的三點式電路，這種電路也稱為中點鉗位型(Neutral Point Clamped)電路。與兩點式PWM相比，三點式PWM調制波的主要優(yōu)點，一是對于同樣的基波與諧波要求而言，開關頻率低得多，從而可以大幅度降低開關損耗；二是每個主開關器件關斷時所承受的電壓僅為直流側電壓的一半，因此，這種電路特別適合于高電壓大容量的應用場合。不過三點式PWM可逆整流器的缺點也是顯而易見的，一方面其主電路拓撲使用功率開關器件較多，另一方面，控制也比兩點式復雜，尤其是需要解決中點電位平衡問題。

圖5??? 三電平PWM整流電路

??? 從上面的分析可以知道，單開關主電路拓樸結構的共同優(yōu)點在于，控制結構簡單，易于實現(xiàn)，且電源可靠性高；缺點在于其應用場合受到開關器件的影響，開關器件的耐壓水平高低和開關頻率的高低限制了這種電路的應用，其主要應用于中小功率的變頻器或UPS電源。

??? 與單開關結構的PWM整流器相比，多開關PWM整流電路的共同優(yōu)點在于功率因數(shù)高，諧波失真小，可實現(xiàn)能量的雙向流動，調節(jié)速度快，應用范圍寬，主要應用于中大功率場合。缺點也很突出，諸如電路結構復雜，控制難度大，而且需要檢測和控制的點較多，提高了控制成本；器件的增多也降低了系統(tǒng)的可靠性。但由于其性能指標要高于單開關結構的PWM整流器，且可實現(xiàn)能量的雙向流動，是很有發(fā)展前途的拓樸結構。

3??? 控制方式

??? 控制技術是PWM高頻整流器發(fā)展的關鍵。要使PWM整流器工作時達到單位功率因數(shù)，必須對電流進行控制，保證其為正弦且與電壓同相或反相。根據(jù)有沒有引入電流反饋可以將這些控制方法分為兩大類：引入交流電流反饋的稱為直接電流控制（DCC）；沒有引入交流電流反饋的稱為間接電流控制，間接電流控制也稱為相位幅值控制（PAC）。

3.1??? 間接電流控制

??? 間接電流控制就是通過控制PWM整流器的交流輸入端電壓，實現(xiàn)對輸入電流的控制。這種控制方法沒有引入交流電流控制信號，而是通過控制輸入端電壓間接控制輸入電流，故稱間接電流控制。又因其直接控制量為電壓，所以又稱為相位幅值控制。其原理圖如圖6所示。

圖6??? 間接電流控制框圖

??? 間接電流控制引入一個電壓環(huán)，由電壓環(huán)得到一個與整流電路輸出功率相匹配的輸入電流幅值給定。再經(jīng)過兩個乘法器轉換成輸入電流的有功分量i_p和無功分量i_q，分別經(jīng)R和ω_L環(huán)節(jié)后轉換成電壓信號再與電源電壓相減后，便得到給定電壓調制信號，最后與三角波比較產(chǎn)生控制用的PWM信號，控制主電路的工作。這種控制方式的電路簡單，但由于缺少了電流環(huán)，響應速度受到一定程度的影響；另外，用到了電路參數(shù)R及L，電路參數(shù)與給定參數(shù)一致性較差，也會影響控制的精度。

3.2??? 直接電流控制

??? 與間接電流控制相反，在控制電路中引入交流輸入電流反饋信號，對輸入電流進行直接控制，稱為直接電流控制。根據(jù)電流跟蹤方法的不同，直接電流控制可分為滯環(huán)電流比較法控制、定時瞬時電流比較法控制和三角波電流比較法控制等。

3.2.1??? 滯環(huán)電流比較法控制

??? 圖7所示為滯環(huán)電流比較法控制的原理圖。以其中A相進行說明，基本工作原理是電壓調節(jié)器輸出與和電源電壓同相位的單位正弦信號相乘得到A相電流參考信號i_A＊，i_A＊再與檢測到的A相電流信號i_A比較，經(jīng)過滯環(huán)產(chǎn)生PWM調制波，對各開關器件進行控制，達到控制電流與電壓完全同相或反相的目的。

圖7??? 滯環(huán)電流比較法控制原理圖

??? 滯環(huán)電流比較法控制實現(xiàn)很方便，控制簡單，且控制誤差可由滯環(huán)寬度調節(jié)，若設計合適可達到較高的控制精度，故實際應用較廣。在使用中，器件開關頻率取決于滯環(huán)寬度，導致器件的開關頻率較大，造成器件選擇較難且濾波器的設計復雜。

3.2.2??? 定時瞬時電流比較法控制

??? 圖8所示為定時瞬時電流比較法控制的原理圖。定時瞬時電流比較法控制與滯環(huán)電流比較法控制類似，都包括電壓、電流反饋且PWM調制波產(chǎn)生方法也相同。不同之處是，引入時鐘信號定時將反饋電流與指令電流進行比較，產(chǎn)生PWM調制波控制開關器件的通斷，保證電壓、電流的同相位，且器件的開關頻率固定。

圖8??? 定時瞬時電流比較法控制原理圖

??? 定時瞬時電流比較法控制可有效克服滯環(huán)電流控制開關頻率變化的缺點，使開關頻率固定，但電流跟蹤誤差受到電網(wǎng)電壓影響，且控制電路要比滯環(huán)電流比較法復雜。

3.2.3??? 三角波電流比較法控制

??? 圖9所示為三角波電流比較法控制的原理圖。與前面兩種控制方法類似，電路中也包括電流滯環(huán)和電壓環(huán)，電流指令由電壓環(huán)PI輸出和一個與電壓同相的單位正弦信號相乘得到，指令電流和反饋電流經(jīng)電流調節(jié)器后與三角波信號比較后，得到控制用PWM調制波，控制開關器件的通斷，實現(xiàn)輸出電流跟蹤指令電流。

圖9??? 三角波電流比較法控制原理圖

??? 三角波電流比較法控制也具有開關頻率固定的優(yōu)點，且單一橋臂的開關控制互補，為建模分析提供了方便，從而可方便地實現(xiàn)系統(tǒng)的諧波分析；在結構上，其控制電路比定時瞬時電流比較法控制簡單，因而具有廣闊的應用前景。

??? 在直接電流控制中直接檢測交流側電流信號加以控制，系統(tǒng)響應快，動態(tài)響應好，但檢測量過多，控制復雜。間接電流控制從穩(wěn)態(tài)相量關系出發(fā)進行電流控制，盡管動態(tài)響應較慢，但其具有結構簡單、檢測量少、控制簡單、概念清晰的特點，可得到最優(yōu)的性能價格比。

4??? 結語

??? 通過上述分析，PWM整流技術的應用會越來?廣泛，其發(fā)展也會呈現(xiàn)出多種趨勢，但主要歸結為三個方面：功率器件、主電路拓樸和控制方法。

??? 1）新型全控型器件的發(fā)展器件是PWM整流技術賴以實現(xiàn)的基礎，新技術的出現(xiàn)和新材料的應用，必然會產(chǎn)生更新、更好的功率器件，從而推動PWM整流技術的發(fā)展。

??? 2）主電路拓樸PWM整流器的最大優(yōu)勢就是對電網(wǎng)的影響較小，為了進一步降低影響，提高功率因數(shù)，人們必然會對整流器的拓樸結構進行改進，現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)五電平、七電平結構，隨著功率器件和應用水平的提高，必然會有更新、更好的電路拓樸結構出現(xiàn)。

??? 3）控制方法一方面，主電路拓樸的多樣化，必然會引起控制方法的變異，甚至會產(chǎn)生更新、更簡單的控制方法；另一方面，現(xiàn)代控制理論和計算機技術的發(fā)展也為新的方法的出現(xiàn)奠定了堅實的基礎，現(xiàn)在狀態(tài)反饋控制、變結構控制已經(jīng)開始應用到PWM整流器的控制中來。