[科普中国]-架装电源

PWM整流器

自20世纪90年代以来，PWM整流器一直是学术界关注和研究的热点。

经过几十年的研究与发展，PWM整流器技术己经日趋成熟。主电路已从早期半控型器件桥路发展到如今的全控型器件桥路;主电路拓扑从单相、三相电路发展到多相组合及多电平结构;PWM开关控制已由单纯的硬开关调制发展到软开关调制;功率等级也已从千瓦级发展到兆瓦级。

在中大功率场合特别是需要能量双向流动的场合中，PWM整流电路具有非常广汪的应用前景。IGBT等新型电力半导体开关器件的出现和PWM控制技术的发展，极大的促进了PWM整流电路的发展，电压型、电流型这两种主电路拓扑在工业领域都取得了成功的应用。

目前，PWM整流器的研究主要集中在以下几个方面：

1.主电路拓扑结构研究

就PWM整流器拓扑结构而言，可分为电流型和电压型两大类，其中电压型PWM整流器应用较广。对于不同的功率等级以及不同的用途，整流器拓扑结构研究的侧重点不同。在小功率场合，PWM整流器拓扑结构的研究集中在减少功率开关和改进直流输出性能上。对于大功率PWM整流器，其拓扑结构的研究主要集中在多电平、变流器组合以及软开关技术上，也有针对特定问题对基本拓扑结构作改进的研究。

按照对输出波形的改善方式，可分为两电平PWM整流器、多重叠加PWM整流器、多电平PWM整流器。两电平电路拓扑结构比较简单，但为了获得大功率只能依靠器件的串并联来实现，这将会带来开关器件的静态均压、动态均压、均流等一系列问题，电路可靠性不高，且由于输出只有两个电平，电压波动大，谐波含量高，电磁干扰问题严重。为避免上述问题，对电路拓扑进行改造，使得在当前开关器件的耐压水平下获得更高的电压输出，提出了多电平电路拓扑。1977年，德国学者Holtz最早提出了一种形式的三电平电路，后来由日本学者A. Nabae加以发展，于20世纪80年代提出了二极管箱位三电平逆变方案，并逐渐应用到整流领域。随后出现了各种不同的主电路结构，如电容箱位PWM整流器、开关管箱位PWM整流器以及级联型PWM整流器等。PWM整流器的多重化技术就是将正弦脉宽调制技术与整流器的多重化相结合，通过变压器藕合的方式将多个相同结构的整流单元按串联或并联的方式组合，然后利用PWM技术中的波形生成方式和多重化技术中的移相叠加得到阶梯波，改善输出波形，而且重数越多，对波形的改善效果越好。

2.电压型PWM整流器的电流控制

为了使电压型PWM整流器网侧呈现受控电流源特性，其网侧电流控制策略的研究显得十分重要。主要分为两类:一类是由J. W. Dixonh和B.T. 0o i提出的间接电流控制策略，实际上就是所谓的“幅相电流控制”，即通过控制整流器的输入端电压，使其和网侧电压保持一定的幅值和相位，进而间接控制其网侧电流。该控制比较简单，一般无需电流反馈控制，但是网侧电流的动态响应慢，对系统参数变化灵敏，动态过程中电流存在直流偏置，因而常用于对动态响应要求不高且控制结构要求简单的场合，己逐步被直接电流控制策略取代。直接电流控制以快速电流反馈控制为特征，可以获得较高品质的电流响应，成为现在研究的热点，先后出现了不同的控制方案，主要包括以快速电流跟踪为特征的滞环电流控制，以及以固定开关频率为特征，采用三角波调制方式的瞬态电流控制和预测电流控制等。为了提高电压利用率并减少谐波，基于空间矢量的PWM控制在电压型PWM整流器中取得了广泛的应用。目前，电压型PWM整流器网侧电流控制有将固定开关频率、滞环及空间矢量控制相结合的趋势，以使其在大功率有源滤波等需要快速电流响应场合获得优越的性能。1

逆变器电压型和电流型逆变器拓扑简介现今的DC/AC的功率变换技术基于两种传统的逆变器拓扑:电压源逆变器和电流源逆变器。

电压源逆变器输入直流电压而输出交流电压，根据应用场合的不同，输出电压的幅值和频率可以恒定或变化。实际上，电压源逆变器也可以称为电压源变流器，因为同一个电路也可以作为整流器工作。就像我们比较熟知的相控式变流器一样。电压源逆变器必须具有恒定的输入电压源，也就是说它的戴维南等效阻抗应当是理想的为0。如果电源电压不够恒定，可以在输入侧接入一个大的电容器。直流电压可以恒定或可变，可以由电网或旋转交流电机经过整流器和滤波器而得到，也可以由蓄电池，燃料电池或光伏电池组得到。逆变器的输出电压可以是三相或多相，可以是方波，正弦波，PWM波，阶梯波，或者准方波。

电压源逆变器应用广泛，它们的部分应用如下:

1.交流电动机驱动;

2.交流不停电电源(UPS):

3.感应加热;

4.电池，光伏电池组或燃料电池构成的分布式交流电源;

5.静态无功发生器(SVG)或补偿器(SVC);

6.有源滤波(APF ) ;

在电压源逆变器中，由于输入直流电压的缘故，功率半导体器件总是保持正向偏置，因此应用自控型正向导通或非对称阻断器件，如GTO, BJT, IGBT, POWER MOSFET和IGCT是合适的。过去强制切换晶闸管变流器曾经得到应用，现在它们己经基本被淘汰。为了使逆变器开关具有自由的反向电流，往往在自关断器件上反并联一个续流二极管。

对于电流源逆变器来说，同一个电路既可工作在逆变状态，也可以工作在整流状态。电流馈电或电流源逆变器(CFI或者CSI)，如它的名称所表述，输入侧需要一个恒定的电流(理想的情况是具有无穷大的戴维南阻抗)，这与电压源的情况正好相反，后者的输入侧是恒定的电压，其理想的情况是戴维南阻抗为O。

在电流源逆变器中，功率半导体器件必须承受反向电压，因此标准的非对称电压阻断器件，如POWER MOSFET, BJT, IGBT, MCT，和IGCT是不能使用的。应当采用对称的电压阻断GTO和晶闸管器件。当然，也可以采用正向阻断器件串联二极管。可以看出，电流源逆变器其实是电压源逆变器的对偶电路。

电流源逆变器通常应用在以下的领域:

1.大功率感应电机和同步电机的速度控制;

2.绕线磁极式同步电动机的变频启动;

3.高频感应加热;

4.超导磁能存储(SMES);

5.直流电动机传动;

6.静态无功补偿器;

7.有源电力滤波;2