单相PWM整流电路设计(电力电子课程设计)

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目录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114422331()()1()()p ⎧=⎨-⎩V VD 、V VD 导通V VD 、V VD 导通两种开关模式见表1。

表 1 单相电压型PWM 双极性调至开关模式开关模式1 2 导通器件V 1(VD 1)、V 4(VD 4)V 2(VD 2)、V 3(VD 3)开关函数 p=1 p=–1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)>0c)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。

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u ab (t)将在V dc 和–V dc 间切换。