PWM整流电路概述

PWM整流电路概述

1引言

在电力系周公解梦结婚 统中，电压和电流应是完好的正弦波。但是在实际的电力系统中，由于非线

性负载的影响，实际的电网电压和电流波形总是存在不同程度的畸变，给电力输配电系统

及附近的其它电气设备带来许多问题，因而就有必要采取措施限制其对电网和其它设备的

影响。随着电力电子技术的迅速发展，各种电力电子装置在电力系统、工业、交通、家庭

等众多领域中的应用日益广泛，大量的非线性负载被引入电网，导致了日趋严重的谐波污

染。电网谐波污染的根本原因在于电力电子装置的开关工作方式，引起网侧电流、电压波

形的严重畸变。目前，随着功率半导体器件研制与生产水平的不断提高，各种新型电力电

子变流装置不断涌现，特别是用于交流电机调速传动的变频器性能的逐步完善，为工业领

域节能和改善生产工艺提供了十分广阔的应用前景。相关资料表明，电力电子装置生产量

在未来的十年中将以每年不低于10%的速度递增，同时，由这类装置所产生的高次谐波约

占总谐波源的70%以上。

在我国，当前主要的谐波源主要是一些整流设备，如化工、冶金行业的整流设备和各

种调速、调压设备以及电力机车。传统的整流方式通常采用二极管整流或相控整流方式，

采用二极管整流方式的整流器存在从电网吸取畸变电流，造成电网的谐波污染，而且直流

侧能量无法回馈电网等缺点。采用相控方式的整流器也存在深度相控下交流侧功率因数很

低，因换流引起电网电压波形畸变等缺点。这些整流器从电网汲取电流的非线性特征，给

周围用电设备和公用电网都会带来不利影响。

为了抑制电力电子装置产生的谐波，其中的一种方法就是对整流器本身进行改进，使

其尽量不产生谐波，且电流和电压同相位。这种整流器称为高功率因数变流器或高功率因

数整流秦皇古驿道 器。高功率因数变流器主要采用PWM整流技术，一般需要使用自关断器件。对电

流型整流器，可直接对各个电力半导体器件的通断进行PWM调制，使输入电流成为接近

正弦且与电源电压同相的PWM波形，从而得到接近1的功率因数。对电压型整流器，需

要将整流器通过电抗器与电源相连。只要对整流器各开关器件施以适当的PWM控制，就

可以对整流器网侧交流电流的大小和相位进行控制，不仅可实现交流电流接近正弦波，而

且可使交流电流的相位与电源电压同相，即系统的功率因数总是接近于1。本文主要对与

PWM整流器相关的功率开关器件、主电路拓扑结构和控制方式等进行详细说明，在此基

础上对PWM整流技术的发展方向加以探讨。

2功率开关器件

PWM整流器的基础是电力电子器件，其与普通整流器和相控整流器的不同之处是其

中用到了全控型器件，器件性能的好坏决定了PWM整流器的性能。优质的电力电子器件

必须具有如下特点：(1)能够控制动漫头像大全 通断，确保在必要时可靠导通或截止；（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

断过程中的集肤幽默冷笑话 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。

3PWM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，一是对于同关于秋天的诗句 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；二是每个主开小班安全活动 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：引入回家的感觉 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L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、电流的同相数学六年级手抄报 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，从而可方便的实买电脑主要看什么 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、更好的电路拓朴生地功效 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。