科普：PWM整流技术的基本原理与发展

随着电力电子技术的发展，功率半导体开关器件性能不断提高，从早期广泛使用的半控型功率半导体开关，如普通晶闸管SCR，发展到今天类型诸多的全控型功率开关，如门极关断晶闸管GTO、绝缘栅双极型晶体管IGBT等等。而20世纪90年代发展起来的智能型功率模块IPM则开创了功率半导体开关器件新的发展方向。功率半导体开关器件技术的不断进步，促进了电力电子变流装置技术的迅速发展，出现了以脉宽调制（PWM）控制为基础的各类变流装置，如变频器、逆变电源、高频开关电源，以及各类特种变流器等，这些变流装置在国民经济各领域中取得了广泛的应用。但是，目前这些变流装置很大一部分需要整流环节，以获得直流电压，由于常规整流环节广泛应用了采用二极管不控整流电路或晶闸管相控整流电路，因而对电网注入了大量谐波及无功，造成了严重的电网“污染”。治理这种电网“污染”最根本措施就是，要求变流装置实现网侧电流正弦化，且运行于单位功率因数。因此，作为电网主要“污染”源的整流器，首先受到了学术界的关注，并开展了大量研究工作。其主要思路就是，将PWM技术引入整流器的控制之中，使整流器网侧电流正弦化，且运行于单位功率因数。根据能量是否可双向流动，派生出两类不同拓扑结构的PWM整流器，即可逆PWM整流器和不可逆PWM整流器。

经过几十年的研究与发展，PWM整流技术已日趋成熟。PWM整流器主电路从早期的半控型器件的电路发展到如今的全控型器件的电路；其拓扑结构已从单相、三相电路发展到多相组合及多电平拓扑电路；PWM开关控制由单纯的硬开关调制发展到软开关调制；功率等级从千瓦级发展到兆瓦级；在主电路类型上，既有电压型整流器（升压型或Boost型），也有电流型整流器（降压型或Buck型），并且两者在工业上均成功地投入了应用。由于PWM整流器实现了网侧电流正弦化，且运行于单位功率因数，甚至能量可双向传输，因而真正实现了“绿色电能变换”。同时由于PWM整流器网侧呈现出受控电流源特性，因而这一特性使PWM整流器及其控制技术获得了进一步的发展和拓宽，并获得了更为广泛和更为重要的应用，如静止无功补偿、有源电力滤波、统一潮流控制、超导储能、高压直流输电、电气传动以及太阳能、风能等可再生资源的并网发电。

3.5.1 PWM控制的基本原理

1.理论基础

冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量指窄脉冲的面积。效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同，它们的低频段非常接近，仅在高频段略有差异。

2.面积等效原理

分别将如图3-38所示的电压窄脉冲加在一阶惯性环节（R-L电路）上，如图3-39（a）所示。其输出电流i(t)对不同窄脉冲的响应波形如图3-39（b）所示。从波形可以看出，在i(t)的上升段，i(t)的形状也略有不同，但其下降段则几乎完全相同。脉冲越窄，各i(t)响应波形的差异也越小。如果周期性地施加上述脉冲，则响应i(t)也是周期性的。用傅立叶级数分解后将可看出，各i(t)在低频段的特性将非常接近，仅在高频段有所不同。

图3-38 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲

图3-39 冲量相同的各种窄脉冲的响应波形

用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波，正弦半波N等分，看成N个相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等；用矩形脉冲代替，等幅，不等宽，中点重合，面积（冲量）相等，宽度按正弦规律变化。

把图3-40的正弦半波分成N等分，就可以把正弦半波看成是由N个彼此相连的脉冲序列所组成的图形。这些脉冲宽度相等，都等于但是幅值不相等，且脉冲顶部不是水平直线，而是曲线，各个脉冲的幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲序列利用相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应正弦部分脉冲面积相等，就得到如图3-40所示的脉冲序列。这就是PWM波形。可以看出，各脉冲的幅值相等，而宽度是按正弦规律变化的。根据面积等效原理，PWM波形和正弦半波是等效的。对于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得到PWM波形。像这样脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形，也称为SPWM波形。

图3-40 用PWM波代替正弦半波

例3-4 设图3-40中半周期内的脉冲数为5，脉冲幅值为相应正弦波的2倍，试按面积等效原理来计算各个脉冲的宽度。

解：

3.5.2 PWM整流技术的基本原理

从电力电子技术发展来看，整流器是较早应用的一种AC/DC变换装置。整流器的发展经历了由不控整流器（二极管整流）、相控整流器（晶闸管整流）到PWM整流器（可关断功率开关）的发展历程。传统的相控整流器，虽应用时间较长，技术也较成熟，且被广泛使用，但仍然存在以下问题：

（1）晶闸管换流引起网侧电压波形畸变；

（2）网侧谐波电流对电网产生谐波“污染”；

（3）闭环控制时动态响应相对较慢。

虽然二极管整流器，改善了整流器网侧功率因数，但仍会产生网侧谐波电流“污染”电网；另外二极管整流器的不足还在于其直流电压的不可控性。针对上述不足，PWM整流器已对传统的相控及二极管整流器进行了全面改进。其关键性的改进在于用全控型功率开关取代了半控型功率开关或二极管，以PWM斩控整流取代了相控整流或不控整流。因此，PWM整流器可以取得以下优良性能：

（1）网侧电流为正弦波；(www.xing528.com)

（2）网侧功率因数控制（如单位功率因数控制）；

（3）电能可双向传输；

（4）较快的动态控制响应。

显然，PWM整流器已不是一般传统意义上的AC/DC变换器。由于电能的双向传送，当PWM整流器从电网吸取电能时，其运行于整流工作状态；而当PWM整流器向电网传输电能时，其运行于有源逆变工作状态。所谓单位功率因数是指：当PWM整流器运行于整流状态时，网侧电压、电流同相（正阻特性）；当PWM整流器运行于有源逆变状态时，其网侧电压、电流反相（负阻特性）。进一步研究表明，由于PWM整流器其网侧电流及功率因数均可控，因而可被推广应用于有源电力滤波及无功补偿等非整流器应用场合。

PWM整流器实际上是一个交、直流侧可控的四象限运行的变流装置。为便于理解，以下首先从模型电路阐述PWM整流器的原理。图3-41为PWM整流器模型电路，可以看出：PWM整流器模型电路由交流回路、功率开关管电路以及直流回路组成。其中交流回路包括交流电动势e以及网侧电感L等；直流回路包括负载电阻RL及负载电动势eL等；功率开关管桥路可由电压型或电流型桥路组成。

图3-41 PWM整流器模型电路图

当不计功率开关管桥路损耗时，由交、直流侧功率平衡关系得

式中 v、i是模型电路交流侧电压、电流；

vdc 、idc是模型电路直流侧电压、电流。

由上式不难理解，通过模型电路交流侧的控制，就可以控制其直流侧，反之也成立。以下着重从模型电路交流侧入手，分析PWM整流器的运行状态和控制原理。

稳态条件下，PWM整流器交流侧矢量关系如图3-42所示。为简化分析，对于PWM整流器模型电路，只考虑基波分量而忽略PWM谐波分量，并且不计交流侧电阻。这样可从图3-42分析，当电压矢量V端点位于圆轨迹A点时，电流矢量I比电动势矢E滞后90°，此时PWM整流器网侧呈现电感特性，如图3-42（a）所示；当电压矢量V端点运动至圆轨迹B端点时，电流矢量I与电动势矢量E平行且同向，此时PWM整流器网侧呈现正电阻特性，如图3-42（b）所示；当电压矢量V端点运动至圆轨迹C点时，电流矢量I比电动势矢量E超前90°，此时PWM整流器网侧呈现纯电容特性，如图3-42（c）所示；当电压矢量V端点运动至圆轨迹D点时，电流矢量I与电动势矢量E平行且反向，此时PWM整流器网侧呈现负阻特性，如图3-42（d）所示。以上，A，B，C，D四点是PWM整流器四象限运行的四个特殊工作状态点，进一步分析，可得PWM整流器四象限运行规律如下：

（1）电压矢量V端点在圆轨迹AB[图3-42（a）]上运动时，PWM整流器运行于整流状态。此时，PWM整流器需从电网吸收有功及感性无功功率，电能将通过PWM整流器由电网传输至直流负载。值得注意的是，当PWM整流器运行在B点时，则实现单位功率因数整流控制；而在A点运行时，PWM整流器则不从电网吸收有功功率，而只从电网吸收感性无功功率。

（2）当电压矢量V端点在圆轨迹BC[图3-42（b）]上运动时，PWM整流器运行于整流状态。此时，PWM整流器需从电网吸收有功及容性无功功率，电能将通过PWM整流器由电网传输至直流负载。当PWM整流器运行至C点时，PWM整流器将不从电网吸收有功功率，而只从电网吸收容性无功功率。

（3）当电压矢量V端点在圆轨迹CD[图3-42（c）]上运动时，PWM整流器运行于有源逆变状态。此时PWM整流器向电网传输有功及容性无功功率，电能将从PWM整流器直流侧传输至电网。当PWM整流器运行至D点时，便可实现单位功率因数有源逆变控制。

（4）当电压矢量V端点在圆轨迹DA[图3-42（d）]上运动时，PWM整流器运行于有源逆变状态。此时，PWM整流器向电网传输有功及感性无功功率，电能将从PWM整流器直流侧传输至电网。

图3-42 PWM整流器交流侧稳态矢量关系

实现四象限运行的控制方法有两种：一是可以通过控制PWM整流器交流侧电压，间接控制网侧电流；二是可以通过网侧电流的闭环控制直接控制PWM整流器的网侧电流。

例3-5 如图3-42试说明当电压矢量V沿着圆周运动一圈时，PWM整流器网侧呈现什么特性，为什么？

AB段：V滞后E的相角，E超前I的角度设为θ，θ从90°减少到0°，电路工作在整流状态，此时PWM整流器网侧呈电阻特性；

BC段：V滞后E的相角，I超前E的角度设为θ，θ从0°增加到90°，电路在向交流电源送出无功功率，此时PWM整流器网侧呈电容特性；

CD段：V超前E的相角，I超前E的角度设为θ，θ从90°增加到180°，电路工作在逆变状态，此时PWM整流器网侧呈负电阻特性；

DA段：V超前E的相角，I滞后E的角度设为θ，θ从180°减少到90°，此时PWM整流器网侧呈电感特性。