【正文】 而對于目前人類所大量使用和無比依賴的電能使用，功率因數(shù)將是重中之重。= 時的損耗是cos216。 吳敏華：單相電壓型 PWM 整流 24 對于電力系統(tǒng)中的輸電部分 輸電線上的損耗： Pl=RI*I，負載吸收的平均功率： P.=V*I*cos216。能相互抵消。 (3). 避免電機或設備空載運行。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和單周期控制技術。如果工作在 PWM 硬開關狀態(tài)下， MOSFET 的開通損耗和二極管的反向恢復損耗都會相當大，因此，最大的問題是如何消除這兩個損耗，相應就有許多關于軟開關 Boost 變換器理論的研究，現(xiàn)在具有代表性的有兩種技術，一是有源軟開關，二是無源軟開關即無源無損吸收網(wǎng)絡。這種控制方法工作在 CCM 模式，可用于 Flyback,Cuk,Boost等拓撲中，其調制方式有脈沖前沿調制和脈沖后沿調制。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功率變換電路，使功率因數(shù)接近 1。所以，設有功率因數(shù)校正電路使功率因數(shù)近于 1 的開關電源得到迅速的發(fā)展。 ? 值低，則表示輸入電流諧波分量大，對電網(wǎng)造成污染，嚴重時，對 三相四線制供電還會造成中線電位偏移，致使用電電器設備損壞。 有源功率因素校正（ APFC）技術 對電壓跟隨器的研究方向是：采用軟開關技術、多導電模式和新的電路結構來提高其性能和提高其動態(tài)響應速度等?！半妷焊S器 |”這個詞是首先由 應用到功率因素校正技術中的。 基本的兩種功率因素校正技術 在 20 實際 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 兩級式和單級式 PFC變換器方框圖 a) 兩級式 b）單級式 對于單級 PFC，在 DCM 導電模式下采用電壓跟蹤方進行 PFC 時，可以直接采用常規(guī)的PWM 來調節(jié)輸出電壓，同時又可以使輸入 PF=1。 根據(jù) PFC 即與 DC/DC 級電流的工作模態(tài)，兩級 PFC 又分為四種，即 ++++ 技術分類 根據(jù)控制方式，兩級 PFC 又可以分為 PWM 控制和變頻控制。這種控制思想對 Buck 和 BuckBoost 電路也是適合的。這種電路的特點是電路連續(xù)，缺點是只能升壓不能降壓、啟動及過載沖擊大、保護困難、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 80 年代的功率因素校正技術大部分是寄予 Boost 電路原理。滿足上述這些要求的有源 校正電路，通過設計，幾乎所有類型的 DC/DC 開關變流器都可以實現(xiàn)功率因素校正。 PWM 控制技術用于逆變電路 PWM 控制技術在逆變電路中的應用最具代表性，正是由 于在逆變電路中廣泛而成功華東交通大學畢業(yè)設計 9 的應用，才奠定了 PWM 控制技術在電力電子技術中的突出地位，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。根據(jù)電感電流的公式，當 Q 導通是電感電流增大，二當 Q 關斷時電感電流減小。 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雜的超越方程，在采用微機控制技術時需花費大量的計算時間，難以在實時控制中在線計算，因而在工程上實際應用不多。 調制信號不是正弦波，而是其他所需波形時，也能得到等效的 PWM 波 。 ? tOua )b )圖 6 3Ou? t 吳敏華：單相電壓型 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，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 個彼此相連的脈沖序列所組成的波形。 圖 。廣泛地用于電動機調速和閥門控制，比如我們現(xiàn)在的電動車電機調速就是使用這 種方式。 PWM 模塊可以輸出 6 路 PWM 波，非常適用于電機控制。對于輸出電壓不高的場合，全波電 路由 于其元件少，結構簡單等優(yōu)點得到廣泛應用。這些成果和研究對提高我國電力電子行業(yè)的學術水平、提升電源產品的技術含量、趕超世界先進水平和增強國際競爭能力具有非常重要的意義。這一技術發(fā)展到 1956年，在晶體管的基礎上又制成了晶閘管，從此開始步入電力電子技術的新時代。 從最初采用模擬電路完成三角調制 波和參考正弦波比較，產生正弦脈寬調制 SPWM 信號以控制功率器件的開關開始，到目前采用全數(shù)字化方案，完成優(yōu)化的實時在線吳敏華：單相電壓型 PWM 整流 2 的 PWM信號輸出，可以說直到目前為止， PWM 在各種應用場合仍在主導地位，并一直是人們研究的熱點。但是控制比較復雜，不適合 200Ｗ以下小容量使用： 20 世紀 80 年代后期又針對小容量整流器提出了電壓跟隨器校正技術，校正器工作在不連續(xù)導電模式（ DCM），使控制電路大大簡化，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。華東交通大學畢業(yè)設計 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）技術誕生與 20 世紀 80 年代，它采用的是高頻開關工作方式，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，采用 PWM 進行控制 ,其中控制方法采用的是電流滯環(huán)比較法，因 硬件電路簡單，屬于實時控制，電流響應快，對負載的適應性強，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?shù)墓ぷ髂Ｊ胶凸ぷ鲿r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)中無功功率的消耗。 由于 PWM可以同時實現(xiàn)變頻變壓反抑制諧波的特點。 70 年代后期，在 SCR 基礎上研制成功的可關斷晶閘管以及在晶體管基礎上研制成功的電力晶體管及模塊相繼進入實用化，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，電力電子產品較好地滿足了我國的市場需求，但新型電力電子半導體器件仍需依靠進口。但它也存在一些問題，諸如占空比丟失、整流二極管的反向恢復引起的電壓尖峰以及兩橋臂實現(xiàn)ZVS（零電壓開關）的差異。 由于 PI 調節(jié)器算法簡單、可靠性高，一直被廣泛應用于工業(yè)控制，所以本文也采用數(shù)字 PI 調節(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重要結論 :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 ,其效果基本相同 .SPWM 法就是以該結論為理論基礎 ,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區(qū)間內的面積相等 ,通過改變調制波的頻率和幅值則可調節(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。 異步調制和同步調制 載波比 ——載波頻率 fc 與調制信號頻率 fr 之比， N= fc / fr. 根據(jù)載波和信號波是否同步及載波比的變化情況， PWM 調制方式分為異步調制和同步調制 a. 異步調制 異步調制 ——載波信號和調制信號不同步的調制方式 通常保持 fc 固定不變，當 fr 變化時，載波比 N 是變化的，在信號波的半周期內， PWM波的脈沖個數(shù)不固定，相位也不固定，正負半周期的脈沖不對稱，半周期內前后 1/4 周期的脈沖也不對稱，當 fr 較低時， N 較大，一周期內脈沖數(shù)較多，脈沖不對稱產生的不利影響都較小，當 fr 增高時， N 減小，一周期內的脈沖數(shù)減少， PWM 脈沖不對稱的影響就變大 b. 同步調制 同步調制 ——N 等于常數(shù)，并在變頻時使載波和信號波保持同步 基本同步調制方式， fr 變化時 N 不變，信號波一周期內輸出脈沖數(shù)固定 ，下面分析， 三相電路中公用一個三角波載波， 圖 為同步調整三相 PWM 波形， 且取 N 為 3 的整數(shù)倍，使三相輸出對稱為使一相的 PWM 波正負半周鏡對稱， N 應取奇數(shù) fr 很低時， fc 也很低，由調制帶來的諧波不易濾除， r 很高時， fc 會過高， 使開關器件難以承受 。 工程實用方法，效果接近自然采樣法，計 算量小得多，但計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 控制技術用于整流電路即構成 PWM 整流電路 可看成逆變電路中的 PWM 技術向整流電路的延伸， PWM 整流電路已獲得了一些應用，并有良好的應用前景， PWM 整流電路作為對第 2 章的補充，可使我們對整流電路有更全面的認識。例如 Buck、 Boost、BuckBoost、 Cuk、 Sepic、 Zeta 變換器等。所以說 20 世紀 80 年代是 Boost 功率因素校正年代。這種電路的優(yōu)點是可靠性高、抗短路能力強，缺點是電路復雜、電流 不連續(xù)、只能降壓不能升壓。 電路 項目 電感輸入型 電容輸入型 電路 Boost Buck 電源 U I 儲能 L C 直流濾波 Cd Ld 輸出 Udo Id 開關工 作方式 開關管開通 開關管關斷 開關管關斷 開關管開通 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：單相電壓型 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 技術分類及研究方向 功率因素校正技術有很多分類法，從市電電網(wǎng)輸入方式可以分為單項 PFC 電路和三相華東交通大學畢業(yè)設計 13 PFC 電路。單級 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電流引起的開光關斷損耗也較低。圖中 Boost 變換器工作在連續(xù)導電模式（ 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)的用于電子設備前端的二極管整流器，作為一個諧波電流源，干擾電網(wǎng)線電壓，產生向四周輻 射和沿導線傳播的電磁干擾，導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，整流器件的導通角遠小于 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狀態(tài)，體積小、重量輕，比無源功率因數(shù)校正電路效率高。適用于 75~2020W 功率范圍的應用場合，應用最為廣泛。 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。 圖 單級電路 有源軟開關采用附加的一些輔助開關管和一些無源的電感電容以及二極管，通過控制主開關管和輔助開關管導通時序來實現(xiàn) ZVS 或者 ZCS。這些控制技術的主要優(yōu)點是使電路的復 雜程度大大降低，可靠性增強。 (4). 合理配置變壓器，恰當?shù)剡x擇其容量。電力系統(tǒng)中的負載大部分是感性的，因此總電流將滯后電壓一個角度，如圖 1 所示，將并聯(lián)電容器與負載并聯(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。 ，因為 I=P./V/ cos216。=1 時的 4 倍。 華東交通大學畢業(yè)設計 25 4 Matlab 仿真實驗 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