PWM整流电路概述Word文档格式.docx
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（2）能够承受一定的电压和电流，阻断状态时能承受一定电压，导通时匀许通过一定的电流；
（3）具有较高的开关频率，在开关状态转换时具有足够短的导通时间和关断时间，并能承受高的di/dt和dv/dt。
目前在PWM整流器中得到广泛应用的电力电子器件主要有如下几种：
2.1门极可关断晶闸管（GTO）
GTO是最早的大功率自关断器件，是目前承受电压最高和流过电流最大的全控型器件。
它能由门极控制导通和关断，具有通过电流大、管压降低、导通损耗小，dv/dt耐量高等优点，目前已达6KV/6KA的应用水平，在大功率的场合应用较多。
但是GTO的缺点也很明显，驱动电路复杂并且驱动功率大，导致关断时间长，限制了器件的开关频率；
关断过程中的集肤效应容易导致局部过热，严重情况下使器件失效；
为了限制dv/dt，需要复杂的缓冲电路，这些都限制了GTO在各个领域的应用，现在GTO主要应用在中、大功率场合。
2.2电力晶体管（GTR）
电力场效应管又称为巨型晶体管，是一种耐高压、大电流的双极结型晶体管，该器件与GTO一样都是电流控制型器件，因而所需驱动功率较大，但其开关频率要高于GTO，因而自20世纪80年代以来，主要应用于中小功率的变频器或UPS电源等场合。
目前其地位大多被绝缘栅双极晶体管（IGBT）和电力场效应管（PowerMOSFET）所取代。
2.3电力场效应管（PowerMOSFET）
电力场效应管是用栅极电压来控制漏极电流的，属于电压控制型器件，因此它的第一个显著特点是驱动电路简单，需要的驱动功率小。
其第二个显著特点是开关速度快，工作频率高。
另外PowerMOSFET的热稳定性优于GTR。
但是PowerMOSFET电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的场合。
2.4绝缘栅双极晶体管（IGBT）
IGBT是后起之秀，将MOSFET和GTR的优点于一身，既具有MOSFET的输入阻抗高、开关速度快的优点，又具有GTR耐压高、流过电流大的优点，是目前中等功率电力电子装置中的主流器件。
目前的应用水平已经达到3.3KV/1.2KA。
栅极为电压驱动，所需驱动功率小，开关损耗小、工作频率高，不需缓冲电路，适用于较高频率的场合。
其主要缺点是高压IGBT内阻大，通态压降大，导致导通损耗大；
在应用于高（中）压领域时，通常需要多个串联。
2.5集成门极换流晶闸管（IGCT）和对称门极换流晶闸管（SGCT）
IGCT是在GTO的基础上发展起来的新型复合器件，兼有MOSFET和GTO两者的优点，又克服了两者的不足之处，是一种较为理想的兆瓦级、高（中）压开关器件。
与MOSFET相比，IGCT通态压降更小，承受电压更高，通过电流更大；
与GTO相比，通态压降和开关损耗进一步降低，同时使触发电流和通态时所需的门极电流大大减小角，有效地提高了系统的开关速度。
IGCT采用的低电感封装技术使得其在感性负载下的开通特性得到显著改善。
与GTO相比，IGCT的体积更小，便于和反向续流二极管集成在一起，这样就大大简化了电压型PWM整流器的结构，提高了装置的可靠性。
其改进形式之一称为对称门极换流晶闸管（SGCT），两者的特性相似，不同之处是SGCT可双向控制电压，主要应用于电流型PWM中。
目前，两者的应用水平已经达到6KV/6KA。
3 PWM整流器的主电路拓扑结构
PWM整流器根据主电路中开关器件的多少可以分为单开关型和多开关型；
根据输入电源相数可以分为单相PWM整流电路和三相整流电路；
根据输出要求可以分为电压源和电流源型。
下面介绍几种常见的三相PWM整流电路的拓扑结构并简要分析它们的工作特性。
3.1三相单开关PWM整流电路
三相单开关PWM整流器的主电路拓朴结构主要有如下几种：
1.单开关Boost型（升压型）：
电路如图1所示，其中输出电压恒定，工作于电流断续模式（DCM），这种电路结构简单，在PWM整流电路中应用广泛。
图1三相单开关Boost型
2.单开关Buck型（降压型）：
电路如图2所示，与升压型成对偶关系，其输出电流恒定，输出电压较低，仍然工作于断续电流模式（DCM）。
图2三相单开关Buck型
3.2三相多开关PWM整流电路
三相多开关PWM整流器的主电路拓朴结构主要有如下几种：
1.六开关Boost型：
也可称为两电平电压型整流器或三相桥式可逆PWM整流器。
电路如图3所示，每个桥臂上的可关断开关管都带有反并联二极管，可以实现能量的双向流动，每只开关管的导通作用，一般都是使交流侧滤波电感L蓄积磁能，而在开关管关断时，迫使电感产生较高的电压Ldi/dt，通过另一桥臂的续流二极管向直流侧释放磁能。
因此，从广义上讲，这种桥式PWM可逆整流器拓扑，仍属于升压式结构。
六开关Boost型PWM整流器的特点是结构简单且宜于实现有源逆变，因而是目前应用和研究最为活跃的一种类型，也是多开关PWM整流电路中应用最为广泛的一种。
图3三相多开关Boost型
2.六开关Buck型：
也可称为两电平电流型整流器，电路如图4所示，直流侧电抗器一般要求很大。
由于电流型变换器的特点，交流侧输入LC滤波器通常是必不可少的，以改善电流波形和功率因数。
这种电路拓朴较适合于空间矢量调制，且有降压作用。
其缺点是由于直流侧大电感内阻较大，消耗功率较大导致其效率略低于六开关Boost型。
图4三相多开关Buck型
3.三电平PWM整流电路
在大功率PWM变流装置中，常采用拓朴结构如图5所示的三点式电路，这种电路也称为中点钳位型（NeutralPointClamped）电路。
与两点式PWM相比，三点式PWM调制波的主要优点，一是对于同样的基波与谐波要求而言，开关频率低得多，从而可以大幅度降低开关损耗；
二是每个主开关器件关断时所承受的电压仅为直流侧电压的一半，因此这种电路特别适合于高电压大容量的应用场合。
不过三点式PWM可逆整流器的缺点也是显而易见的，一方面其主电路拓扑使用功率开关器件较多，另一方面，控制也比两点式复杂，尤其是需要解决中点电位平衡问题。
图5三电平PWM整流电路
从上面的分析可以知道，单开关主电路拓朴结构的共同优点在于，控制结构简单，易于实现，且电源工作工作可靠性高；
缺点在于其应用场合受到开关器件的影响，开关器件的耐压水平高低和开关频率的高低限制了这种电路的应用，其主要应用于中小功率的变频器或UPS电源。
与单开关结构的PWM整流器相比，多开关PWM整流电路的共同优点在于功率因数高，谐波失真小，可实现能量的双向流动，调节速度快，应用范围宽，主要应用于中大功率场合。
缺点也很突出，电路结构复杂，控制难度大，而且需要检测和控制的点较多，提高了控制成本；
器件的增多也降低了系统的可靠性。
但由于其性能指标要高于单开关结构的PWM整流器，且可实现能量的双向流动，是很有发展前途的拓朴结构。
4控制方式
控制技术是PWM高频整流器发展的关键。
要使PWM整流器工作时达到单位功率因数，必须对电流进行控制，保证其为正弦且与电压同相或反相。
根据有没有引入电流反馈可以将这些控制方法分为两种：
引入交流电流反馈的称为直接电流控制（DCC）；
没有引入交流电流反馈的称为间接电流控制，间接电流控制也称为相位幅值控制（PAC）。
4.1间接电流控制
间接电流控制就是通过控制PWM整流器的交流输入端电压，实现对输入电流的控制。
这种控制方法没有引入交流电流控制信号，而是通过控制输入端电压间接控制输入电流，故称间接电流控制。
又因其直接控制量为电压，所以又称为相位幅值控制。
其原理图如图6所示。
图6间接电流控制框图
间接电流控制引入一个电压环，由电压环得到一个与整流电路输出功率相匹配的输入电流幅值给定。
再经过两个乘法器转换成输入电流的有功分量ip和无功分量iq，分别经R和ωL环节后转换成电压信号再与电源电压相减后，便得到给定电压调制信号，最后与三角波比较产生控制用的PWM信号，控制主电路的工作。
这种控制方式的电路简单，但由于缺少了电流环，响应速度受到一定程度的影响；
另外，用到了电路参数R、L，电路参数与给定参数一致性较差，也会影响控制的精度。
4.2直接电流控制
与间接电流相反，在控制电路中引入交流输入电流反馈信号，对输入电流进行直接控制，称为直接电流控制。
根据电流跟踪方法的不同，直接电流控制可分为滞环电流比较法控制、定时瞬时电流比较法控制和三角波电流比较法控制等。
⑴滞环电流比较法控制
图7所示为滞环电流比较法控制的原理图。
以其中A相进行说明，基本工作原理是电压调节器输出与和电源电压同相位的单位正弦信号相乘得到A相电流参考信号iA＊，iA＊再与检测到的A相电流信号iA比较，经过滞环产生PWM调制波，对各开关器件进行控制，达到控制电流与电压完全同相或反相的目的。
滞环电流比较法控制实现很方便，控制简单，且控制误差可由滞环宽度调节，若设计合适可达到较高的控制精度，故实际应用较。
在使用中，器件开关频率取决于滞环宽度，导致器件的开关频率较大，造成器件选择较难且滤波器的设计复杂。
图7滞环电流比较法控制原理图
⑵定时瞬时电流比较法控制
图8所示为定时瞬时电流比较法控制的原理图。
定时瞬时电流比较法控制与滞环电流比较法控制类似，都包括电压、电流反馈且PWM调制波产生方法也相同。
不同之处是，引入时钟信号定时将反馈电流与指令电流进行比较，产生PWM调制波控制开关器件的通断，保证电压、电流的同相位，且器件的开关频率固定。
图8定时瞬时电流比较法控制原理图
定时瞬时电流比较法控制可有效克服滞环电流控制开关频率变化的缺点，使开关频率固定，但电流跟踪误差受到电网电压影响，且控制电路要比滞环电流比较控制复杂。
⑶三角波电流比较法控制
图9所示为三角波电流比较法控制的原理图。
与前面两种控制方法类似，电路中也包括电流滞环和电压环，电流指令由电压环PI输出和一个与电压同相的单位正弦信号相乘得到，指令电流和反馈电流经电流调节器后与三角波信号比较后，得到控制用PWM调制波，控制开关器件的通断，实现输出电流跟踪指令电流。
图9三角波电流比较法控制原理图
三角波电流比较法控制也具有开关频率固定的优点，且单一桥臂的开关控制互补，为建模分析提供了方便，从而可方便的实现系统的谐波分析；
在结构上，其控制电路比定时瞬时电流比较法控制简单，因而具有广阔的应用前景。
在直接电流控制中直接检测交流侧电流信号加以控制，系统响应快，动态响应好，但检测量过多，控制复杂。
间接电流控制从稳态相量关系出发进行电流控制，尽管动态响应较慢，但其具有结构简单、检测量少、控制简单、概念清晰的特点，可得到最优的性能价格比。
5结语
通过上述分析，PWM整流技术的应用会越来越广泛，其发展也会呈现出多种趋势，但可主要归结为三个方面：
功率器件、主电路拓朴和控制方法。
（1）新型全控型器件的发展。
器件是PWM整流技术赖以实现的基础，新技术的出现和新材料的应用，必然会产生更新、更好的功率器件，从而推动PWM整流技术的发展。
（2）主电路拓朴。
PWM整流器的最大优势就是对电网的影响较小，为了进一步降低影响，提高功率因数，人们必然会对整流器的拓朴结构进行改进，现在已经出现五电平、七电平结构，随着功率器件和应用水平的提高，必然会有更新、更好的电路拓朴结构出现。
（3）控制方法。
一方面，主电路拓朴的多样化，必然会引起控制方法的变异，甚至会产生更新、更简单的控制方法；
另一方面，现代控制理论和计算机技术的发展也为新的方法的出现奠定了坚实的基础，现在状态反馈控制、变结构控制已经开始应用到PWM整流器的控制中来。
参考文献
[1]韩安宋.通用变频器及其应用 机械工业出版社 2000
[2]邬伟扬等，三相电压源型PWM可逆整流器的新型相位幅值控制，电力电子技术，2000年4月
[3]毛鸿等，PWM整流器的控制策略研究，电气传动，2000年3月
[4]林德鸿，三相高功率因数整流器的发展和现状，江苏机械制造与自动化，2000年8月
[5]林渭勋，现代电力电子电路，浙江大学出版社，2002
PWM控制电路的基本构成及工作原理
摘要：
介绍了PWM控制电路的基本构成及工作原理，给出了美国SiliconGeneral公司生产的高性能集成PWM控制器SG3524的引脚排列和功能说明，同时给出了其在不间断电源中的应用电路。
关键词：
PWMSG3524控制器
引言
开关电源一般都采用脉冲宽度调制（PWM）技术，其特点是频率高，效率高，功率密度高，可靠性高。
然而，由于其开关器件工作在高频通断状态，高频的快速瞬变过程本身就是一电磁骚扰（EMD）源，它产生的EMI信号有很宽的频率范围，又有一定的幅度。
若把这种电源直接用于数字设备，则设备产生的EMI信号会变得更加强烈和复杂。
本文从开关电源的工作原理出发，探讨抑制传导干扰的EMI滤波器的设计以及对辐射EMI的抑制。
1开关电源产生EMI的机理
数字设备中的逻辑关系是用脉冲信号来表示的。
为便于分析，把这种脉冲信号适当简化，用图1所示的脉冲串表示。
根据傅里叶级数展开的方法，可用式
（1）计算出信号所有各次谐波的电平。
式中：
An为脉冲中第n次谐波的电平；
Vo为脉冲的电平；
T为脉冲串的周期；
tw为脉冲宽度；
tr为脉冲的上升时间和下降时间。
开关电源具有各式各样的电路形式，但它们的核心部分都是一个高电压、大电流的受控脉冲信号源。
假定某PWM开关电源脉冲信号的主要参数为：
Vo=500V，T=2×
10－5s，tw=10－5s，tr=0.4×
10－6s，则其谐波电平如图2所示。
图2中开关电源内脉冲信号产生的谐波电平，对于其他电子设备来说即是EMI信号，这些谐波电平可以从对电源线的传导干扰（频率范围为0.15～30MHz）和电场辐射干扰（频率范围为30～1000MHz）的测量中反映出来。
在图2中，基波电平约160dBμV，500MHz约30dBμV，所以，要把开关电源的EMI电平都控制在标准规定的限值内，是有一定难度的。
2开关电源EMI滤波器的电路设计
当开关电源的谐波电平在低频段（频率范围0.15～30MHz）表现在电源线上时，称之为传导干扰。
要抑制传导干扰相对比较容易，只要使用适当的EMI滤波器，就能将其在电源线上的EMI信号电平抑制在相关标准规定的限值内。
要使EMI滤波器对EMI信号有最佳的衰减性能，则滤波器阻抗应与电源阻抗失配，失配越厉害，实现的衰减越理想，得到的插入损耗特性就越好。
也就是说，如果噪音源内阻是低阻抗的，则与之对接的EMI滤波器的输入阻抗应该是高阻抗（如电感量很大的串联电感）；
如果噪音源内阻是高阻抗的，则EMI滤波器的输入阻抗应该是低阻抗（如容量很大的并联电容）。
这个原则也是设计抑制开关电源EMI滤波器必须遵循的。
几乎所有设备的传导干扰都包含共模噪音和差模噪音，开关电源也不例外。
共模干扰是由于载流导体与大地之间的电位差产生的，其特点是两条线上的杂讯电压是同电位同向的；
而差模干扰则是由于载流导体之间的电位差产生的，其特点是两条线上的杂讯电压是同电位反向的。
通常，线路上干扰电压的这两种分量是同时存在的。
由于线路阻抗的不平衡，两种分量在传输中会互相转变，情况十分复杂。
典型的EMI滤波器包含了共模杂讯和差模杂讯两部分的抑制电路，如图3所示。
图中：
差模抑制电容Cx1，Cx20.1～0.47μF；
差模抑制电感L1，L2100～130μH；
共模抑制电容Cy1，Cy2<
10000pF；
共模抑制电感L15～25mH。
设计时，必须使共模滤波电路和差模滤波电路的谐振频率明显低于开关电源的工作频率，一般要低于10kHz，即
在实际使用中，由于设备所产生的共模和差模的成分不一样，可适当增加或减少滤波元件。
具体电路的调整一般要经过EMI试验后才能有满意的结果，安装滤波电路时一定要保证接地良好，并且输入端和输出端要良好隔离，否则，起不到滤波的效果。
开关电源所产生的干扰以共模干扰为主，在设计滤波电路时可尝试去掉差模电感，再增加一级共模滤波电感。
常采用如图4所示的滤波电路，可使开关电源的传导干扰下降了近30dB，比CISOR22标准的限值低了近6dB以上。
还有一个设计原则是不要过于追求滤波效果而造成成本过高，只要达到EMC标准的限值要求并有一定的余量（一般可控制在6dB左右）即可。
3辐射EMI的抑制措施
如前所述，开关电源是一个很强的骚扰源，它来源于开关器件的高频通断和输出整流二极管反向恢复。
很强的电磁骚扰信号通过空间辐射和电源线的传导而干扰邻近的敏感设备。
除了功率开关管和高频整流二极管外，产生辐射干扰的主要元器件还有脉冲变压器及滤波电感等。
虽然，功率开关管的快速通断给开关电源带来了更高的效益，但是，也带来了更强的高频辐射。
要降低辐射干扰，可应用电压缓冲电路，如在开关管两端并联RCD缓冲电路，或电流缓冲电路，如在开关管的集电极上串联20～80μH的电感。
电感在功率开关管导通时能避免集电极电流突然增大，同时也可以减少整流电路中冲击电流的影响。
功率开关管的集电极是一个强干扰源，开关管的散热片应接到开关管的发射极上，以确保集电极与散热片之间由于分布电容而产生的电流流入主电路中。
为减少散热片和机壳的分布电容，散热片应尽量远离机壳，如有条件的话，可采用有屏蔽措施的开关管散热片。
整流二极管应采用恢复电荷小，且反向恢复时间短的，如肖特基管，最好是选用反向恢复呈软特性的。
另外在肖特基管两端套磁珠和并联RC吸收网络均可减少干扰，电阻、电容的取值可为几Ω和数千pF，电容引线应尽可能短，以减少引线电感。
实际使用中一般采用具有软恢复特性的整流二极管，并在二极管两端并接小电容来消除电路的寄生振荡。
负载电流越大，续流结束时流经整流二极管的电流也越大，二极管反向恢复的时间也越长，则尖峰电流的影响也越大。
采用多个整流二极管并联来分担负载电流，可以降低短路尖峰电流的影响。
开关电源必须屏蔽，采用模块式全密封结构，建议用1mm以上厚度的镀锌钢板，屏蔽层必须良好接地。
在高频脉冲变压器初、次级之间加一屏蔽层并接地，可以抑制干扰的电场耦合。
将高频脉冲变压器、输出滤波电感等磁性元件加上屏蔽罩，可以将磁力线限制在磁阻小的屏蔽体内。
根据以上设计思路，对辐射干扰超过标准限值20dB左右的某开关电源，采用了一些在实验室容易实现的措施，进行了如下的改进：
——在所有整流二极管两端并470pF电容；
——在开关管G极的输入端并50pF电容，与原有的39Ω电阻形成一RC低通滤波器；
——在各输出滤波电容（电解电容）上并一0.01μF电容；
——在整流二极管管脚上套一小磁珠；
——改善屏蔽体的接地。
经过上述改进后，该电源就可以通过辐射干扰测试的限值要求。
4结语
随着电子产品的电磁兼容性日益受到重视，抑制开关电源的EMI，提高电子产品的质量，使之符合有关标准或规范，已成为电子产品设计者越来越关注的问题。
本文是在分析干扰产生机理、以及大量实践的基础上，提出了行之有效的抑制措施。
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