单相电压型PWM整流电路原理分析与仿真

0 引 言
众所周知，在传统的整流电路中，晶闸管可控整流装置的功率因数会随着其触发角的增加而变坏，这不但使得电力电子类装置成为电网中的主要谐波因素，也增加了电网中无功功率的消耗。
PWM整流电路是采用脉宽调制技术和全控型器件组成的整流电路，能有效地解决传统整流电路存在的问题。通过对PWM整流电路进行有效的控制，选择合适的工作模式和工作时序，从而调节了交流侧电流的大小和相位，使之接近正弦波并与电网电压同相或反相，不但有效地控制了电力电子装置的谐波问题，同时也使得变流装置获得良好的功率因数。

1 单相电压型桥式PWM整流电路的结构
单相电压型桥式PWM整流电路最初出现在交流机车传动系统中，为间接式变频电源提供直流中间环节，电路结构如图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为交流侧附加的电抗器，起平衡电压，支撑无功功率和储存能量的作用。图1中uN(t)是正弦波电网电压；Ud是整流器的直流侧输出电压；us(t)是交流侧输入电压，为PWM控制方式下的脉冲波，其基波与电网电压同频率，幅值和相位可控；iN(t)是PWM整流器从电网吸收的电流。由图1所示，能量可以通过构成桥式整流的整流二极管VD1～VD4完成从交流侧向直流侧的传递，也可以经全控器件VT1～VT4从直流侧逆变为交流，反馈给电网。所以PWM整流器的能量变换是可逆的，而能量的传递趋势是整流还是逆变，主要视VT1～VT4的脉宽调制方式而定。

因为PWM整流器从交流电网吸取跟电网电压同相位的正弦电流，其输入端的功率是电网频率脉动的两倍。
由于理想状况下输出电压恒定，所以此时的输出电流id与输入功率一样也是网频脉动的两倍，于是设置串联型谐振滤波器L2C2，让其谐振输出电流基波频率的2倍，从而短路掉交流侧的2倍频谐波。

2 单相电压型桥式整流电路的工作原理
图2是单相PWM电压型整流电路的运行方式相量图，us1(t)设为交流侧电压Us(t)的基波分量，iN1(t)为电流iN(t)的基波分量，忽略电网电阻的条件下，对于基波分量，有下面的相量方程成立，即：

可以看出，如果采用合适的PWM方式，使产生的调制电压与网压同频率，并且调节调制电压，以使得流出电网电流的基波分量与网压相位一致或正好相反，从而使得PWM整流器工作在如图2所示的整流或逆变的不同工况，来完成能量的双向流动。

假设整流时有：

设Ucm为三角载波幅值；us(t)为单极性SPWM波，采用状态空间平均模型分析，us在一个开关周期内的平均值表示为：

时能否使得交流侧获得高功率因数，此时有：

从相量图及式(8)可以看出为保持单位功率因数，通过脉宽调制的适当控制，在不同的负载电流下，使向量端点轨迹沿直线AB运动。同理也能得到逆变工况下的运行条件，这里不再赘述。

3 单相电压型PWM整流电路工作过程分析
可以将电压型单相桥式PWM整流电路的4个桥臂看成4个开关，任一时刻应有两个桥臂导通。为避免输出短路1，2桥臂和3，4桥臂都不允许同时导通。因此PWM整流电路有4种工作模式。图3(c)给出PWM整流电路在整流工况下的控制信号时序分布。从图中可以看出随着调制信号的正、负半周变化，电路在如图3(a)，(b)所示的短路、整流、短路3个状态中交替变换。因此交流侧电压us(t)是一个单极性PWM波形，输出幅值为±Ud和0；而对应的电感L上压降uL分别取uN,uN-Ud和uN+Ud三种不同的值，这样通过调节调制比m就能有效控制us1，进而使得电路的功率因数为1。

4 单相电压型PWM电路控制策略分析
根据功率平衡原理，系统稳定运行时有下式成立：

式中：Uc*是直流输出参考电压。对式(9)做拉氏变换，得到Id与Ud的传递函数：

假设PWM开关频率足够高，电流滞环可以使用一个小惯性环节代替，从而产生网侧参考电流Id*到Id的传递关系：

式中：Ti电流滞环等效时间常数。为了滤除直流电压偏差中的二次纹波，可设计一个低通滤波器，若采用简单的一阶低通滤波器，则截止频率(fc=1／Tc)一般选在二分之一基波频率以下，滤波器传递函数为：

根据前述分析得到采用直接电流控制策略时单相PWM整流器的控制框图如图4所示。参考电压Udref与直流侧输出电压Ud的差值，经低通滤波器后经PI调节与正弦同步信号相乘，产生参考电流信号isref，与相应的源侧电流反馈信号isf，做比较，形成电流偏差信号，这样随着桥入端电平更迭，网侧电流将始终围绕电流给定值升降，把偏差信号加入相应的输入调节电压前馈，经滞环控制就得到调制信号，该调制信号与三角波载波相比较产生开关脉冲，经输出去控制理想开关。

5 单相电压型桥式PWM整流电路的仿真
基于前述分析在Simulink 6．O软件中，对单相电压型PWM整流电路建立仿真电路，如图5所示。