第5章 整流電路

整流——將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姷倪^程，對應(yīng)的電力電子電路稱之為整流電路。第5章整流電路5.1概述

1.主要應(yīng)用（1）電化學(xué)處理（2）可調(diào)速的直流傳動系統(tǒng)和交流傳動系統(tǒng)（4）通用交直交電源（5）新能源發(fā)電技術(shù)（3）高壓直流輸電系統(tǒng)2.分類不可控整流電路、半控整流電路和全控整流電路半波整流電路和橋式整流電路單相整流電路、三相整流電路和多相整流電路單象限整流電路、兩象限整流電路和四象限整流電路不可控整流電路、相控整流電路和PWM整流電路3.性能指標(biāo)（1）電壓波形系數(shù)（2）電壓紋波系數(shù)（3）電壓脈動系數(shù)（4）變壓器利用系數(shù)（5）輸入電流總畸變率（6）輸入功率因數(shù)4.諧波和功率因數(shù)■諧波：非線性負(fù)載（電力電子裝置）工作過程中，電壓或電流為周期性非正弦電量，對其進(jìn)行傅里葉級數(shù)分解，除了得到頻率與工頻相同的分量（該分量稱為基波），還得到一系列大于工頻的分量（稱為諧波）。

◆正弦波電壓可表示為：

式中U為電壓有效值；u為初相角；為角頻率，=2f=2/T；f為頻率；T為周期?！舴钦译妷簎(t)分解為如下形式的傅里葉級數(shù)：

式中：n=1,2,3…或式中，cn、n和an、bn的關(guān)系為◆基波（fundamental）：頻率與工頻相同的分量。

諧波：頻率為基波頻率大于1整數(shù)倍的分量。

諧波次數(shù)：諧波頻率和基波頻率的整數(shù)比?！鬾次諧波電流含有率以HRIn（HarmonicRatioforIn）表示◆電流諧波總畸變率THDi（TotalHarmonicdistortion）分別定義為（Ih為總諧波電流有效值）■功率因數(shù)

◆正弦電路：有功功率就是其平均功率式中U、I分別為電壓和電流的有效值，為電流滯后于電壓的相位差。?視在功率為：S=UI

?無功功率為：Q=UIsin

?功率因數(shù)為：?無功功率Q與有功功率P、視在功率S之間的關(guān)系：?在正弦電路中，功率因數(shù)是由電壓和電流的相位差決定的，其值為：=cos

◆非正弦電路

?有功功率為?功率因數(shù)為：式中I1為基波電流有效值，1為基波電流與電壓的相位差。式中，=I1/I，即基波電流有效值和總電流有效值之比，稱為基波因數(shù)，而cos1稱為位移因數(shù)或基波功率因數(shù)。?無功功率√定義很多，但尚無被廣泛接受的科學(xué)而權(quán)威的定義。

√一般簡單定義為（反映了能量的流動和交換）：

√定義為：

?畸變功率D為：5.整流電路的理想狀態(tài)：1）網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)λ=1：電網(wǎng)僅對整流電路提供有功功率；2）輸出電壓uo≡UO（電壓型）或輸出電流io≡IO（電流型）3）具有能量雙向傳遞能力：電路具備雙象限工作能力；4）能實現(xiàn)輸出電壓的快速調(diào)節(jié)，保證系統(tǒng)有良好的動態(tài)性能；5）具有較高的功率密度；6）整流電路無內(nèi)耗，電路中所有元件工作時均無損耗；6.傳統(tǒng)整流電路存在的問題：1）網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)低容性負(fù)載下，基波電流超前電壓；單相橋式不控整流電路不同負(fù)載下的工作波形圖三相橋式不控整流電路工作波形圖：電流滯后電壓；交流側(cè)功率因數(shù)單相橋式全控整流電路工作波形圖：阻感負(fù)載，α＝30°交流側(cè)功率因數(shù)三相橋式全控整流電路工作波形圖：■無功的危害

◆導(dǎo)致設(shè)備容量增加。

◆使設(shè)備和線路的損耗增加。◆線路壓降增大，沖擊性負(fù)載使電壓劇烈波動。2）網(wǎng)側(cè)電流諧波大，對電網(wǎng)危害嚴(yán)重單相橋式全控整流電路阻感性負(fù)載下變壓器二次側(cè)電流波形：三相橋式全控整流電路阻感性負(fù)載下變壓器二次側(cè)a相電流波形：m為一個電源周期內(nèi)的換流次數(shù)，單相橋式電路m=2，三相半波電路m=3，三相橋式電路m=6。諧波次數(shù)通式：n=mk±1（k=1,2,3,……)■諧波的危害◆降低發(fā)電、輸電及用電設(shè)備的效率。

◆影響用電設(shè)備的正常工作?！粢痣娋W(wǎng)局部的諧振，使諧波放大，加劇危害?！魧?dǎo)致繼電保護(hù)和自動裝置的誤動作。◆對通信系統(tǒng)造成干擾。

3）難以實現(xiàn)快速調(diào)節(jié)，系統(tǒng)響應(yīng)慢

如：三相橋式電路，響應(yīng)時間在0~3.3ms；

輸出濾波器參數(shù)較大，功率密度低。7.改善傳統(tǒng)整流電路存在問題的方法：1）多相多重整流技術(shù)：并聯(lián)/串聯(lián)多重聯(lián)結(jié)的12脈波整流電路多相多重整流技術(shù)；PWM整流技術(shù)；移相30串聯(lián)2重聯(lián)結(jié)電路電流波形0a)b)c)d)ia1Id180°360°ia2iab2'iAIdiab2wtwtwtwt000Id2333Id33IdId323(1+)Id323(1+)Id33Id13輸入電流諧波次數(shù)為12k±1；功率因數(shù)：◆利用變壓器二次繞阻接法的不同，互相錯開20，可將三組橋構(gòu)成串聯(lián)3重聯(lián)結(jié)電路

?整流變壓器采用星形三角形組合無法移相20，需采用曲折接法。

?整流電壓ud在每個電源周期內(nèi)脈動18次，故此電路為18脈波整流電路。

?交流側(cè)輸入電流諧波更少，為18k±1次（k=1,2,3…），ud的脈動也更小。?輸入位移因數(shù)和功率因數(shù)分別為：cos1=cos=0.9949cos◆將整流變壓器的二次繞組移相15，可構(gòu)成串聯(lián)4重聯(lián)結(jié)電路

?為24脈波整流電路。

?其交流側(cè)輸入電流諧波次為24k±1，k=1，2，3…。?輸入位移因數(shù)功率因數(shù)分別為：cos1=cos=0.9971cos◆采用多重聯(lián)結(jié)的方法并不能提高位移因數(shù)，但可使輸入電流諧波大幅減小，從而也可以在一定程度上提高功率因數(shù)。串聯(lián)多重聯(lián)結(jié)電路的順序控制2）PWM整流技術(shù)：

采用PWM控制方式和全控型器件組成的整流電路，屬于高頻整流電路。用來解決傳統(tǒng)低頻整流電路存在的功率因數(shù)低、諧波大、響應(yīng)慢等問題。其主電路結(jié)構(gòu)與逆變電路十分相似，逆變電路的控制方法和控制技術(shù)在PWM整流電路中用法基本相同。PWM整流將成為整流電路的主流。7.PWM整流電路的分類：1）按變流方式：直接式電路；間接式電路。2）按主電路結(jié)構(gòu)：橋式電路（全橋、半橋）；復(fù)合電路。3）按電網(wǎng)相數(shù)：單相電路；三相及多相電路。4）按輸入輸出間耦合方式：直耦式電路；磁耦式電路。5）按工作范圍：單象限電路；多象限電路。6）按輸出濾波：電壓型電路；電流型電路。7）按輸出電壓：低壓電路；中高壓電路。8）按器件開關(guān)方式：硬開關(guān)電路；軟開關(guān)電路。9）按直流中點形式：鉗位式電路；無鉗位式電路。

通常中、大功率整流電路（REC：Rectifiers）采用單相或三相橋式電路結(jié)構(gòu)；小功率整流電路多采用單相不可控整流加一級直流變換電路實現(xiàn)網(wǎng)測功率因數(shù)校正（PFC：PowerFactorCorrection）。

橋式電路中，根據(jù)橋側(cè)相電壓對負(fù)載側(cè)直流中點的電平數(shù)，可分為兩電平、多電平電路；中、低壓下采用前者，高壓下采用直流中點鉗位的PWM整流電路（NPC-PWMREC：NeutralPointClampedPWMREC）。

直耦式電路整流輸出與電網(wǎng)無電隔離能力；磁耦式電路通過輸入或輸出變壓器與電網(wǎng)實現(xiàn)電隔離，輸入端隔離采用工頻變壓器，多用于大功率場合，輸出端隔離采用高頻變壓器，多用于小功率場合。

整流電路應(yīng)用廣泛，電壓范圍從幾千伏----幾伏，電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不同，高壓領(lǐng)域采用NPC結(jié)構(gòu)，低壓下采用同步整流結(jié)構(gòu)（SYREC：SynchronousRectifiers）。

單象限電路，電能流傳為電網(wǎng)到負(fù)載的單方向；多象限電路中電能可在電網(wǎng)與負(fù)載間雙向流傳，電路為雙向電路。

間接式整流電路中間有高頻交流環(huán)節(jié)，也稱高頻鏈整流電路；相反則稱為直接式整流電路。同步倍流式整流電路全波零式同步整流電路含BoostAPFC的PWM整流電路單相電壓型PWM整流電路三相電壓型PWM整流電路中點鉗位式三相電壓型PWM整流電路

5.2低壓大電流高頻整流電路一、倍流整流電路

在變壓器隔離的間接DC/DC變換中，中間交流環(huán)節(jié)逆變電路開關(guān)頻率較高（20----300）kHz，輸出整流屬于高頻整流電路，傳統(tǒng)整流電路開關(guān)管損耗大，效率低。

低壓和高頻下，帶中心抽頭的變壓器制作不方便。為簡化分析，假定：1）輸出濾波電容CO值很大，輸出電壓無紋波，uo≡UO

2）濾波電感L1=L2=L，無內(nèi)阻且數(shù)值較大（電感電流連續(xù)）；

5.2低壓大電流高頻整流電路輸入電壓us為：電路工作可分為A,B,C三個時區(qū)：1、時區(qū)A：L1儲能，L2釋放能量

5.2低壓大電流高頻整流電路2、時區(qū)C：L2儲能，L1釋放能量uL2=us-Uo=USm-Uo=ULm

5.2低壓大電流高頻整流電路3、時區(qū)B：L1L2釋放能量假定電感無內(nèi)阻，穩(wěn)態(tài)下，在一個周期內(nèi)電流增量與電流減量相等：結(jié)論：負(fù)載電流為濾波電感電流二倍。電感量小，導(dǎo)線細(xì)。二、同步整流電路

在輸出電壓很低時，二極管作為整流器件，其導(dǎo)通壓降引起的損耗太大，效率低。利用低壓功率MOSFET作為整流器件，可以減小損耗，提高效率。自激式驅(qū)動：柵極驅(qū)動電壓取自主電路；

驅(qū)動簡單可靠，但驅(qū)動波形不理想；他激式驅(qū)動：利用附加邏輯電路生成驅(qū)動信號；

驅(qū)動信號理想，但必須增加電路元件；一般，工業(yè)上常用自激式驅(qū)動。根據(jù)輸入電壓的正負(fù)半周對稱度，分為：對稱型：如半橋、全橋和推挽式電路輸出電壓非對稱型：如正激、反激式變換電路輸出電壓

5.2低壓大電流高頻整流電路

5.2低壓大電流高頻整流電路將uS1整流得到驅(qū)動信號u1和u2，但驅(qū)動信號在uS1=0時，同時為零，MOSFET截止，VD1、VD2導(dǎo)通，電路損耗大。ug1ug2ug1ug2將信號u1和u2取反，送給MOSFET作為驅(qū)動信號，可以消除零柵壓區(qū)，二極管VD1、VD2不再導(dǎo)通，驅(qū)動波形理想。

5.2低壓大電流高頻整流電路1、同步倍流整流電路小型倍流整流電路，附加繞組N3提供匹配的驅(qū)動電壓；LS為變壓器漏感，要求盡量小，可采用交叉繞制或立繞方式。VF2倒置使用，電流由源極流向漏極；2、全波同步整流電路

5.2低壓大電流高頻整流電路3、非對稱型同步整流電路（略）PFC技術(shù)發(fā)展------APFC技術(shù)（有源功率因數(shù)校正）對大功率裝置，APFC技術(shù)要求功率因數(shù)λ=1；對小功率裝置，要求λ=1時，產(chǎn)品性價比太低，按照IEC-1000-3-2D類設(shè)備要求，只限制網(wǎng)側(cè)電流的諧波含量，不要求無諧波。因此符合IEC標(biāo)準(zhǔn)，采用簡單廉價的方案可以降低設(shè)備成本，提高產(chǎn)品的市場競爭力。

5.3電壓型單相單管PWM整流電路1）兩級結(jié)構(gòu)：前級PFC電路（采用Boost電路）完成電壓粗調(diào)，實現(xiàn)網(wǎng)側(cè)電流正弦化；后級DC/DC變換電路，進(jìn)行電壓細(xì)調(diào)；優(yōu)點：性能高（功率因數(shù)高、精度高、調(diào)節(jié)速度快），結(jié)構(gòu)相對簡單，技術(shù)成熟；缺點：整機(jī)效率低、性價比低，多用于精密儀器電源；

5.3電壓型單相單管PWM整流電路2）單級結(jié)構(gòu)：將兩級變換合并為一級——單級單管電路（S4或4S電路）

多用于計算機(jī)、家電設(shè)備等電源，性價比和效率較高。應(yīng)用較廣有電隔離能力Boost電路：輸入電流近似正弦，輸出端電壓恒定；Buck電路：輸入電容電壓近似正弦，輸出電流恒定；電流連續(xù)工作模式電流斷續(xù)工作模式電流臨界連續(xù)工作模式一、含BoostAPFC的PWM整流電路

5.3電壓型單相單管PWM整流電路1、電壓調(diào)節(jié)器2、模擬乘法器3、電流調(diào)節(jié)器4、載波發(fā)生器5、SPWM信號比較器6、驅(qū)動電路7、輸出電壓快速調(diào)節(jié)器控制電路以Boost為核心的主電路1、單相電壓型整流電路的理想狀態(tài)：假設(shè)：輸入電壓uN為正弦，整流電路無損耗，輸出電壓Uo無紋波，

網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)λ=1，即：

5.3電壓型單相單管PWM整流電路網(wǎng)側(cè)電流：與網(wǎng)側(cè)電壓同相；輸出電流：輸出功率瞬時值：輸出功率平均值：結(jié)論：為實現(xiàn)網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)λ=1，理想狀態(tài)下，輸出電流io為脈動電流，

包含直流分量和二次諧波分量。直流和二次諧波電流2、BoostAPFC的PWM整流電路工作原理：

在單相不控整流電路和負(fù)載電阻之間插入Boost電路；在載波頻率足夠高時，電感電流連續(xù)，電路工作在CCM模式；各電量波形如圖：

5.3電壓型單相單管PWM整流電路輸入電壓：不控整流電路輸出電壓：電感電壓：TC為控制周期，D為占空比；

5.3電壓型單相單管PWM整流電路電感電流變化率：穩(wěn)態(tài)下，在電網(wǎng)的一個周期內(nèi)，電感電流的增量和減量相等，電網(wǎng)電壓低時，電感電流上升率低，下降率高；電網(wǎng)電壓高時，電感電流上升率高，下降率低；忽略電路內(nèi)部損耗，在CCM狀態(tài)下：代入ud表達(dá)式可得：可以看出：要實現(xiàn)BoostAPFC條件，D0必須為時變值，且按正弦絕對值變化，因此控制電路采用SPWM控制方式，調(diào)制信號為：當(dāng)m增大時，D0增大，D減小，輸出電壓升高。

5.3電壓型單相單管PWM整流電路3、輸出電流io分析：（第303頁）4、電路控制（略）：一般采用AFPC專用控制芯片。

5.4電壓型單相橋式PWM整流電路PWM整流電路具有以下優(yōu)良性能：①交流側(cè)輸入電流為正弦波；②功率因數(shù)可以控制為任意值；③電能雙向傳輸，既可實現(xiàn)整流，也可實現(xiàn)逆變；④閉環(huán)控制時具有較快的動態(tài)響應(yīng)；⑤具有良好的穩(wěn)定直流電壓功能；PWM整流電路應(yīng)用：

①單相PWM整流電路用于電力機(jī)車和動力車的交流機(jī)車電傳動系統(tǒng)；②當(dāng)負(fù)載和電網(wǎng)電壓發(fā)生變化時，PWM整流電路能維持直流中間電壓恒定，

改善逆變電路工作條件；

③用于電動機(jī)調(diào)速，實現(xiàn)再生制動，節(jié)能；

④用于各種電源，如UPS電源、蓄電池充放電電源等；

功率器件：GTO——IGBT——IGCT一、理想條件下的電路分析

5.4電壓型單相橋式PWM整流電路全橋PWM整流電路半橋PWM整流電路假設(shè)：輸入電壓uN為正弦，整流電路無損耗，輸出電壓Uo無紋波，

網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)λ=1，由前面推導(dǎo)結(jié)論：輸出濾波電路：L0和C02組成串聯(lián)諧振濾波器，消除二次諧波，C01用來濾除其他高頻諧波電流。LN平衡電路電壓、支撐無功功率、儲存能量；

5.4電壓型單相橋式PWM整流電路假設(shè)：忽略LN和電網(wǎng)內(nèi)阻，rN=0整流橋輸入端電壓us波形由整流電路的橋臂開關(guān)狀態(tài)決定，若橋臂開關(guān)為S1~S4，采用單極性PWM控制時：LN兩端電壓瞬時值為：對基波分量有：

5.4電壓型單相橋式PWM整流電路單極性PWM控制波形圖：輸入回路電壓、電流矢量圖：

5.4電壓型單相橋式PWM整流電路式中，φ為US1和UN間的相位差；UN和IN為電網(wǎng)電壓和電流的有效值；RN為交流等效電阻。..當(dāng)忽略整流電路內(nèi)部損耗時：式中：若串聯(lián)電感LN=0，則us=uN相位差為φ=0，io始終大于0，無法實現(xiàn)功率因數(shù)調(diào)節(jié)；

5.4電壓型單相橋式PWM整流電路LN對于PWM電路是必不可少的元件，只有LN大于0，能量才能實現(xiàn)雙向流動；二、PWM整流電路的基本原理LN+-uSiNuN+-uoio

5.4電壓型單相橋式PWM整流電路UN.US1.UL1.OABCDIN1.UN.US1.UL1.OABCDIN1.UN.US1.UL1.OABCDIN1.UN.US1.UL1.OABCDIN1.純電感特性正阻特性λ=1純電容特性負(fù)阻特性λ=-1

5.4電壓型單相橋式PWM整流電路（1）電壓矢量端點在圓軌跡AB上運(yùn)動時，PWM整流電路運(yùn)行于整流狀態(tài)。此時，PWM整流電路需從電網(wǎng)吸收有功及感性無功功率，電能將通過PWM整流電路由電網(wǎng)傳輸至直流負(fù)載。當(dāng)PWM整流電路運(yùn)行在B點時，則實現(xiàn)單位功率因數(shù)整流控制；而當(dāng)在A點運(yùn)行時，PWM整流電路則不從電網(wǎng)吸收有功功率，而只從電網(wǎng)吸收感性無功功率。（2）當(dāng)電壓矢量端點在圓軌跡BC上運(yùn)動時，PWM整流電路運(yùn)行于整流狀態(tài)。此時，PWM整流電路需從電網(wǎng)吸收有功及容性無功功率，電能將通過PWM整流電路由電網(wǎng)傳輸至直流負(fù)載。當(dāng)PWM整流電路運(yùn)行至C點時，PWM整流電路將不從電網(wǎng)吸收有功功率，而只從電網(wǎng)吸收容性無功功率。（3）當(dāng)電壓矢量端點在圓軌跡CD上運(yùn)動時，PWM整流電路運(yùn)行于有源逆變狀態(tài)。此時PWM整流電路向電網(wǎng)傳輸有功及容性無功功率，電能將從PWM整流電路直流側(cè)傳輸至電網(wǎng)。當(dāng)PWM整流電路運(yùn)行至D點時，便可實現(xiàn)單位功率因數(shù)有源逆變控制。（4）當(dāng)電壓矢量端點在圓軌跡DA上運(yùn)動時，PWM整流電路運(yùn)行于有源逆變狀態(tài)。此時，PWM整流電路向電網(wǎng)傳輸有功和感性無功功率，電能將從PWM整流電路直流側(cè)傳輸至電網(wǎng)。三、實際條件下的電路分析1、電路的工作模式（λ=1）

5.4電壓型單相橋式PWM整流電路1）工作模式Ⅰ：Sa置1（4），Sb置2（3）；

iN>0和iN<0時，導(dǎo)通情況如右圖；交流電源沿LN短路，us=0，io=0；

電感LN

處于儲能狀態(tài)。iN>0iN<0

5.4電壓型單相橋式PWM整流電路2）工作模式Ⅱ：Sa置1，Sb置3；

io>0，導(dǎo)通情況如右圖c，LN

處于釋能狀態(tài)，協(xié)助電網(wǎng)向負(fù)載供電，可使輸出電壓高于電網(wǎng)電壓（升壓功能）us=UO；

io<0，導(dǎo)通情況如右圖e，電網(wǎng)和負(fù)載同時向LN

饋能；電感LN

處于儲能狀態(tài)。

us=UO；

io>0io<0

5.4電壓型單相橋式PWM整流電路3）工作模式Ⅲ：Sa置4，Sb置2；

io>0，導(dǎo)通情況如右圖d，LN

處于釋能狀態(tài)，協(xié)助電網(wǎng)向負(fù)載供電，可使輸出電壓高于電網(wǎng)電壓（升壓功能）us=-UO；

io<0，導(dǎo)通情況如右圖f，電網(wǎng)和負(fù)載同時向LN

饋能；電感LN

處于儲能狀態(tài)。

us=-UO；

io>0io<0

5.4電壓型單相橋式PWM整流電路2、λ=1時電路工作過程分析如圖：K=5，m=0.8，

φ=45o，電源電壓和電流同相時電量波形：（見第315頁）該電路為單極倍頻工作方式；輸出電壓：3、負(fù)載電阻變化和電網(wǎng)電壓變化時的穩(wěn)壓特性分析

5.4電壓型單相橋式PWM整流電路a）圖，負(fù)載電阻減小時，穩(wěn)壓特性矢量關(guān)系圖；b）圖，電網(wǎng)電壓增大時，穩(wěn)壓特性矢量關(guān)系圖；4、網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)λ=-1時的電路分析

5.4電壓型單相橋式PWM整流電路2、λ=-1時電路工作過程分析如圖：K=5，m=0.8，

φ=45o，電源電壓和電流反相時電量波形：（見第320頁）

5.4電壓型單相橋式PWM整流電路四、電路的控制1、控制要求：（1）λ=1

或λ=-1；（2）調(diào)節(jié)輸出電壓UO；（3）穩(wěn)定輸出電壓UO；（4）實現(xiàn)電流雙象限運(yùn)行；2、控制策略：（1）間接控制：幅相控制，不直接控制網(wǎng)側(cè)電流，通過對us的基波分量us1的幅值和相位進(jìn)行控制，間接實現(xiàn)對iN的控制。

缺點：動態(tài)響應(yīng)慢，受系統(tǒng)參數(shù)影響大；

（2）直接控制：直接對電流進(jìn)行控制；如：滯環(huán)跟蹤控制，矢量控制等。3、采用幅相控制策略的單相SPWM整流電路（323頁）4、采用電流直接控制的單相SPWM整流電路（326頁）

5.4電壓型單相橋式PWM整流電路采用電流直接控制的單相SPWM整流電路

5.4電壓型單相橋式PWM整流電路

5.5電壓型三相橋式PWM整流電路一般用于大功率整流電路

5.5電壓型三相橋式PWM整流電路假設(shè)各相輸入電感相等：LNa