【正文】 而對(duì)于目前人類所大量使用和無(wú)比依賴的電能使用，功率因數(shù)將是重中之重。= 時(shí)的損耗是cos216。 吳敏華：?jiǎn)蜗嚯妷盒?PWM 整流 24 對(duì)于電力系統(tǒng)中的輸電部分 輸電線上的損耗： Pl=RI*I，負(fù)載吸收的平均功率： P.=V*I*cos216。能相互抵消。 (3). 避免電機(jī)或設(shè)備空載運(yùn)行。但是新的控制方法不斷出現(xiàn)，其中大部分是非線性控制方法，比如非線性載波技術(shù)和單周期控制技術(shù)。如果工作在 PWM 硬開關(guān)狀態(tài)下， MOSFET 的開通損耗和二極管的反向恢復(fù)損耗都會(huì)相當(dāng)大，因此，最大的問(wèn)題是如何消除這兩個(gè)損耗，相應(yīng)就有許多關(guān)于軟開關(guān) Boost 變換器理論的研究，現(xiàn)在具有代表性的有兩種技術(shù)，一是有源軟開關(guān)，二是無(wú)源軟開關(guān)即無(wú)源無(wú)損吸收網(wǎng)絡(luò)。這種控制方法工作在 CCM 模式，可用于 Flyback,Cuk,Boost等拓?fù)渲校湔{(diào)制方式有脈沖前沿調(diào)制和脈沖后沿調(diào)制。電流波形平均值取決于電感輸入電流，波形圖如圖 (b)所示。典型電路如圖 所示。它是在橋式整流器與輸出電容濾波器之間加入一個(gè)功率變換電路，使功率因數(shù)接近 1。所以，設(shè)有功率因數(shù)校正電路使功率因數(shù)近于 1 的開關(guān)電源得到迅速的發(fā)展。 ? 值低，則表示輸入電流諧波分量大，對(duì)電網(wǎng)造成污染，嚴(yán)重時(shí)，對(duì) 三相四線制供電還會(huì)造成中線電位偏移，致使用電電器設(shè)備損壞。 有源功率因素校正（ APFC）技術(shù) 對(duì)電壓跟隨器的研究方向是：采用軟開關(guān)技術(shù)、多導(dǎo)電模式和新的電路結(jié)構(gòu)來(lái)提高其性能和提高其動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度等?！半妷焊S器 |”這個(gè)詞是首先由 應(yīng)用到功率因素校正技術(shù)中的。 基本的兩種功率因素校正技術(shù) 在 20 實(shí)際 80 年代中期，功率因素校正器的研究以乘法器方式為主，其基本原理如圖 所示。 D C / D C b） 圖 兩級(jí)式和單級(jí)式 PFC變換器方框圖 a) 兩級(jí)式 b）單級(jí)式 對(duì)于單級(jí) PFC，在 DCM 導(dǎo)電模式下采用電壓跟蹤方進(jìn)行 PFC 時(shí)，可以直接采用常規(guī)的PWM 來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓，同時(shí)又可以使輸入 PF=1。 根據(jù) PFC 即與 DC/DC 級(jí)電流的工作模態(tài)，兩級(jí) PFC 又分為四種，即 ++++ 技術(shù)分類 根據(jù)控制方式，兩級(jí) PFC 又可以分為 PWM 控制和變頻控制。這種控制思想對(duì) Buck 和 BuckBoost 電路也是適合的。這種電路的特點(diǎn)是電路連續(xù)，缺點(diǎn)是只能升壓不能降壓、啟動(dòng)及過(guò)載沖擊大、保護(hù)困難、空載性能差，所謂電容輸入型，就是用電容 C 作為輸入的電路，這類電路的典型代表是 Buck 有源功率因素校正 dialup，它主要用于電流型逆變器。但20 世紀(jì) 80 年代的功率因素校正技術(shù)大部分是寄予 Boost 電路原理。滿足上述這些要求的有源 校正電路，通過(guò)設(shè)計(jì)，幾乎所有類型的 DC/DC 開關(guān)變流器都可以實(shí)現(xiàn)功率因素校正。 PWM 控制技術(shù)用于逆變電路 PWM 控制技術(shù)在逆變電路中的應(yīng)用最具代表性，正是由 于在逆變電路中廣泛而成功華東交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 的應(yīng)用，才奠定了 PWM 控制技術(shù)在電力電子技術(shù)中的突出地位，除功率很大的逆變裝置外，不用 PWM 控制的逆變電路已十分少見(jiàn)。根據(jù)電感電流的公式，當(dāng) Q 導(dǎo)通是電感電流增大，二當(dāng) Q 關(guān)斷時(shí)電感電流減小。 常用的有滯環(huán)比較方式和三角波比較方式 。但這種方法要求解復(fù)雜的超越方程，在采用微機(jī)控制技術(shù)時(shí)需花費(fèi)大量的計(jì)算時(shí)間，難以在實(shí)時(shí)控制中在線計(jì)算，因而在工程上實(shí)際應(yīng)用不多。 調(diào)制信號(hào)不是正弦波，而是其他所需波形時(shí)，也能得到等效的 PWM 波 。 ? tOua )b )圖 6 3Ou? t 吳敏華：?jiǎn)蜗嚯妷盒?PWM 整流 6 圖 PWM 波代替正弦波 要改變等效輸出正弦波的幅值時(shí)，只要按照同一比例系數(shù)改變上述各脈沖的寬度即可。 把圖 的正弦波分成 N 等份，就可以把正弦半波看成是有 N 個(gè)彼此相連的脈沖序列所組成的波形。 圖 。廣泛地用于電動(dòng)機(jī)調(diào)速和閥門控制，比如我們現(xiàn)在的電動(dòng)車電機(jī)調(diào)速就是使用這 種方式。 PWM 模塊可以輸出 6 路 PWM 波，非常適用于電機(jī)控制。對(duì)于輸出電壓不高的場(chǎng)合，全波電 路由 于其元件少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用。這些成果和研究對(duì)提高我國(guó)電力電子行業(yè)的學(xué)術(shù)水平、提升電源產(chǎn)品的技術(shù)含量、趕超世界先進(jìn)水平和增強(qiáng)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)能力具有非常重要的意義。這一技術(shù)發(fā)展到 1956年，在晶體管的基礎(chǔ)上又制成了晶閘管，從此開始步入電力電子技術(shù)的新時(shí)代。 從最初采用模擬電路完成三角調(diào)制 波和參考正弦波比較，產(chǎn)生正弦脈寬調(diào)制 SPWM 信號(hào)以控制功率器件的開關(guān)開始，到目前采用全數(shù)字化方案，完成優(yōu)化的實(shí)時(shí)在線吳敏華：?jiǎn)蜗嚯妷盒?PWM 整流 2 的 PWM信號(hào)輸出，可以說(shuō)直到目前為止， PWM 在各種應(yīng)用場(chǎng)合仍在主導(dǎo)地位，并一直是人們研究的熱點(diǎn)。但是控制比較復(fù)雜，不適合 200Ｗ以下小容量使用： 20 世紀(jì) 80 年代后期又針對(duì)小容量整流器提出了電壓跟隨器校正技術(shù)，校正器工作在不連續(xù)導(dǎo)電模式（ DCM），使控制電路大大簡(jiǎn)化，很適合 200Ｗ以下小容量整流器使用，一般不能用在較大功率整流器中。華東交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 1 單相電壓型 PWM 整流 摘 要 分析單相電壓型 PWM 整流電路 (功率因素校正電路 )的工作原理和工作模式 , 功率因數(shù)校正（ PFC）技術(shù)誕生與 20 世紀(jì) 80 年代，它采用的是高頻開關(guān)工作方式，具有體積小，重量輕，效率高，輸入功率因素（ PF）接近１的優(yōu)點(diǎn)，采用 PWM 進(jìn)行控制 ,其中控制方法采用的是電流滯環(huán)比較法，因 硬件電路簡(jiǎn)單，屬于實(shí)時(shí)控制，電流響應(yīng)快，對(duì)負(fù)載的適應(yīng)性強(qiáng)，由于不需要載波，所以輸出電壓不含特定頻率的諧波分量，另外，這種控制方式，有利于提高電壓利用率 選擇適當(dāng)?shù)墓ぷ髂Ｊ胶凸ぷ鲿r(shí)序 ,可使 PWM整流電路的輸出直 流電壓得到有效的穩(wěn)定值。 大家熟知 ,在傳統(tǒng) 的變流電路中 ,晶閘管可控整流裝置的功率因數(shù)會(huì)隨著其觸發(fā)角的增加而變壞 ,這不但使得電力電子類裝置成為電網(wǎng)中的主要諧波因素 ,也增加了電網(wǎng)中無(wú)功功率的消耗。 由于 PWM可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)變頻變壓反抑制諧波的特點(diǎn)。 70 年代后期，在 SCR 基礎(chǔ)上研制成功的可關(guān)斷晶閘管以及在晶體管基礎(chǔ)上研制成功的電力晶體管及模塊相繼進(jìn)入實(shí)用化，并在中、大容量的變流裝置中，傳統(tǒng)的晶體管逐漸被這些全控型電力電子器件所取代。 目前，電力電子產(chǎn)品較好地滿足了我國(guó)的市場(chǎng)需求，但新型電力電子半導(dǎo)體器件仍需依靠進(jìn)口。但它也存在一些問(wèn)題，諸如占空比丟失、整流二極管的反向恢復(fù)引起的電壓尖峰以及兩橋臂實(shí)現(xiàn)ZVS（零電壓開關(guān)）的差異。 由于 PI 調(diào)節(jié)器算法簡(jiǎn)單、可靠性高，一直被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制，所以本文也采用數(shù)字 PI 調(diào)節(jié)，將電壓環(huán)的輸出作為電流環(huán)的給定。 SPWM(Sinusoidal PWM)法是一種比較成熟的 ,目前使用較廣泛的 PWM 法 .前面提到的采樣控制理論中的一個(gè)重要結(jié)論 :沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí) ,其效果基本相同 .SPWM 法就是以該結(jié)論為理論基礎(chǔ) ,用脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的 PWM 波形即 SPWM 波形控制逆變電路中開關(guān)器件的通斷 ,使其輸出的脈沖電壓的面積與所希望輸出的正弦波在相應(yīng)區(qū)間內(nèi)的面積相等 ,通過(guò)改變調(diào)制波的頻率和幅值則可調(diào)節(jié)逆變電路輸出電壓的頻率和幅值。圖中 e(t)為電壓窄脈沖，其形狀和面積分別如圖 、b、 c、 d 所示，為電路的輸入。這些脈沖寬度相等，都等于 ? /N,且脈沖頂部不是水平直線，而是曲線，各脈沖的幅值按正弦規(guī)律變化。 PWM 波形可分為等幅 PWM 波河不等幅 PWM 波兩種。 異步調(diào)制和同步調(diào)制 載波比 ——載波頻率 fc 與調(diào)制信號(hào)頻率 fr 之比， N= fc / fr. 根據(jù)載波和信號(hào)波是否同步及載波比的變化情況， PWM 調(diào)制方式分為異步調(diào)制和同步調(diào)制 a. 異步調(diào)制 異步調(diào)制 ——載波信號(hào)和調(diào)制信號(hào)不同步的調(diào)制方式 通常保持 fc 固定不變，當(dāng) fr 變化時(shí)，載波比 N 是變化的，在信號(hào)波的半周期內(nèi)， PWM波的脈沖個(gè)數(shù)不固定，相位也不固定，正負(fù)半周期的脈沖不對(duì)稱，半周期內(nèi)前后 1/4 周期的脈沖也不對(duì)稱，當(dāng) fr 較低時(shí)， N 較大，一周期內(nèi)脈沖數(shù)較多，脈沖不對(duì)稱產(chǎn)生的不利影響都較小，當(dāng) fr 增高時(shí)， N 減小，一周期內(nèi)的脈沖數(shù)減少， PWM 脈沖不對(duì)稱的影響就變大 b. 同步調(diào)制 同步調(diào)制 ——N 等于常數(shù)，并在變頻時(shí)使載波和信號(hào)波保持同步 基本同步調(diào)制方式， fr 變化時(shí) N 不變，信號(hào)波一周期內(nèi)輸出脈沖數(shù)固定 ，下面分析， 三相電路中公用一個(gè)三角波載波， 圖 為同步調(diào)整三相 PWM 波形， 且取 N 為 3 的整數(shù)倍，使三相輸出對(duì)稱為使一相的 PWM 波正負(fù)半周鏡對(duì)稱， N 應(yīng)取奇數(shù) fr 很低時(shí)， fc 也很低，由調(diào)制帶來(lái)的諧波不易濾除， r 很高時(shí)， fc 會(huì)過(guò)高， 使開關(guān)器件難以承受 。 工程實(shí)用方法，效果接近自然采樣法，計(jì) 算量小得多，但計(jì)算量卻比自然采樣法小的 多。 (1)滯環(huán)比較方式 圖 6 12u cuO tu rT cA DBO tu ot A t D t B? ?? 39。 令 i*L 減去 iL。 PWM 控制技術(shù)用于整流電路即構(gòu)成 PWM 整流電路 可看成逆變電路中的 PWM 技術(shù)向整流電路的延伸， PWM 整流電路已獲得了一些應(yīng)用，并有良好的應(yīng)用前景， PWM 整流電路作為對(duì)第 2 章的補(bǔ)充，可使我們對(duì)整流電路有更全面的認(rèn)識(shí)。例如 Buck、 Boost、BuckBoost、 Cuk、 Sepic、 Zeta 變換器等。所以說(shuō) 20 世紀(jì) 80 年代是 Boost 功率因素校正年代。這種電路的優(yōu)點(diǎn)是可靠性高、抗短路能力強(qiáng)，缺點(diǎn)是電路復(fù)雜、電流 不連續(xù)、只能降壓不能升壓。 電路 項(xiàng)目 電感輸入型 電容輸入型 電路 Boost Buck 電源 U I 儲(chǔ)能 L C 直流濾波 Cd Ld 輸出 Udo Id 開關(guān)工 作方式 開關(guān)管開通 開關(guān)管關(guān)斷 開關(guān)管關(guān)斷 開關(guān)管開通 PWM 控制方式 CCM(電流滯環(huán) ) DCM(電感電流斷續(xù) ) CCM(電壓滯環(huán) ) DCM(電容電壓斷續(xù) ) 吳敏華：?jiǎn)蜗嚯妷盒?PWM 整流 12 UC dL+B o o s tP F C電 路乘 法 器控 制 器iU d oR L a） U+B o o s tP F C電 路乘 法 器控 制 器iU d oR LC dL b） 圖 電感輸入型與電容輸入型 PFC 電路 a） 電感輸入型 b）電容輸入型 技術(shù)分類及研究方向 功率因素校正技術(shù)有很多分類法，從市電電網(wǎng)輸入方式可以分為單項(xiàng) PFC 電路和三相華東交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 13 PFC 電路。單級(jí) PFC 主要分為 Boost和 BuckBoost， Boost 又分為兩端模式和三端模式。而工作在 CCM 導(dǎo)電模式的乘法器 PFC 在電壓跟隨器 PFC 電路中，變換器工作在 DCM 模式中，因此由二極管反向恢復(fù)電流引起的開光關(guān)斷損耗也較低。圖中 Boost 變換器工作在連續(xù)導(dǎo)電模式（ CCM） ,其電感電流就是輸入電流。 基本的電壓跟隨器 Boost PFC 電路如圖 。 統(tǒng)的用于電子設(shè)備前端的二極管整流器，作為一個(gè)諧波電流源，干擾電網(wǎng)線電壓，產(chǎn)生向四周輻 射和沿導(dǎo)線傳播的電磁干擾，導(dǎo)致電源的利用效率下降。由于常規(guī)整流裝置使用晶閘管或二極管，整流器件的導(dǎo)通角遠(yuǎn)小于 180176。 功率因數(shù)校正，就是將畸變電流校正為正弦電流，并使之與電壓同相位，從而使功率因數(shù)接近于 1。有源功率因數(shù)校正電路工作于高頻開關(guān)狀態(tài)，體積小、重量輕，比無(wú)源功率因數(shù)校正電路效率高。適用于 75~2020W 功率范圍的應(yīng)用場(chǎng)合，應(yīng)用最為廣泛。 工作頻率變化，電流不連續(xù) (DCM)，波形圖如圖 (c)所示。 單周期控制原理圖如圖 所示，是一種非線性控制技術(shù)。 圖 單級(jí)電路 有源軟開關(guān)采用附加的一些輔助開關(guān)管和一些無(wú)源的電感電容以及二極管，通過(guò)控制主開關(guān)管和輔助開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)序來(lái)實(shí)現(xiàn) ZVS 或者 ZCS。這些控制技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是使電路的復(fù) 雜程度大大降低，可靠性增強(qiáng)。 (4). 合理配置變壓器，恰當(dāng)?shù)剡x擇其容量。電力系統(tǒng)中的負(fù)載大部分是感性的，因此總電流將滯后電壓一個(gè)角度，如圖 1 所示，將并聯(lián)電容器與負(fù)載并聯(lián)，則電容器的電流將抵消一部分電感電流，從而使總電流減小，功率因數(shù)將提高。 ，因?yàn)?I=P./V/ cos216。=1 時(shí)的 4 倍。 華東交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 25 4 Matlab 仿真實(shí)驗(yàn) 電路的工作原理 有源功率因素校正（ Active Power Factor Correction， APFC）電路。在現(xiàn)今可用資源接近匱乏的情況下，除了盡快開發(fā)新能源外，更好利用現(xiàn)有資源是我們解決燃眉之急的