电流型单相桥式PWM整流器详解

1.电流型单相桥式整流器的结构

电流型单相桥式整流器如图3-82所示。在结构上，电流型单相桥式整流器与电压型单相桥式整流器（见图3-74）相比较，有三点不同之处：

1）在交流输入一侧，有LCR二阶滤波环节，其中R_s是电感L_s的直流电阻。L_s的主要作用是滤掉电网一侧的高频电流谐波。

2）在直流输出一侧，用大电感量的储能电感L_d取代储能电容C₀。当开关频率较高时，可认为在PWM周期内，输出直流电流I_d不变。

图3-82 电流型单相桥式整流器

3）在电压型电路中，二极管VD₁～VD₄分别与VT₁～VT₄并联，而在电流型电路中，VD₁～VD₄分别与VT₁～VT₄串联，其目的是为了提高IGBT的反向阻断能力。

2.电流型单相桥式整流器的基本工作原理

电流型单相桥式整流器的PWM控制方式与电压型单相桥式整流器相似，有双极性和单极性两种SPWM控制方式，其波形分别如图3-83和图3-84所示。下面简要分析电流型单相桥式整流器在两种SPWM控制方式下的工作过程和相关电量的波形。

图3-83 双极性SPWM控制方式的波形

图3-84 单极性SPWM控制方式的波形

（1）双极性SPWM控制方式下的工作过程和相关电量的波形双极性控制方式时，开关函数p为二值逻辑函数，即

在p=1时，交流侧电压u为正，VT₁和VT₄的集电极为正，当U_g1和U_g4为正，而U_g2和U_g3为零或负值时，VT₁、VD₁和VT₄、VD₄导通，VT₂、VD₂和VT₃、VD₃关断。电流的流动方向如图3-85所示。此时，整流器工作在工作模式Ⅰ。

在p=-1时，交流侧电压u为负，VT₂和VT₃的集电极为正，当U_g2和U_g3为正，而U_g1和U_g4为零或负值时，VT₂、VD₂和VT₃、VD₃导通，VT₁、VD₁和VT₄、VD₄关断。电流的流动方向如图3-86所示。此时，整流器工作在工作模式Ⅱ。

表3-4所示为电流型单相桥式整流器在双极性SPWM控制方式时的工作模式。

表3-4 电流型单相桥式整流器在双极性SPWM控制方式时的工作模式

下面分析各相关电量的波形：

1）交流侧电流i的波形。

从图3-85和图3-86可以看出，交流侧电流i=I_d，当工作模式变换时，i在I_d和-I_d之间切换，即i的波形与p相同，其正、负幅值分别为I_d和-I_d。交流侧电流i的波形如图3-87c所示（为方便起见，作图时采用了等脉宽）。

图3-85 在p=1时，电流的流动方向

图3-86 在p=-1时，电流的流动方向

2）电网电流i_s的波形。

由于电网一侧具有LCR二阶滤波环节，电网电流i_s的拉普拉斯方程式为

式中，I_s（s）、U_s（s）和I（s）分别为电网电流i_s、电网电压u_s和交流侧电流i的拉普拉斯变换量。L、C和R分别为LCR二阶滤波环节的电感、电容和电阻。从式（3-173）可以看出，I_s（s）除受I（s）控制外，还与U_s（s）的波动有关。电网电流i_s的波形如图3-87d所示。

3）直流侧电压U_D的波形。

从图3-82可以看出，直流侧电压U_D与电容器C上的电压U_C和开关函数p有关，即

U_D=U_Cp （3-174）

若只考虑基波分量，U_C和p的表达式可写成

U_C=U_C1Msin（ωt+φ₀₁） （3-175）

式中，U_C1M为U_C的基波电压的幅值；φ₀₁为U_C的基波电压的初始相位角。

p=msin（ωt+φ₀₂） （3-176）

式中，m为调制比；φ₀₂为p的基波分量的初始相位角。(www.xing528.com)

将式（3-175）和式（3-176）代入式（3-174）中，可得到

从式（3-177）可以看出，直流侧电压U_D中含有二次谐波分量，并且当m＜1时，电流型单相桥式整流器由交流侧到直流侧的变换具有Buck变换器的特性。直流侧电压U_D的波形如图3-87e所示。

4）直流侧电流I_d的波形。

从图3-82可以看出

式中，L_d为直流侧的储能电感；R_d为负载电阻。

式（3-178）表明，U_D为PWM波形，I_d也是PWM波形，I_d的波动取决于直流侧储能电感L_d的大小，L_d越大，I_d的波动越小。直流侧电流I_d的波形如图3-87f所示。

从以上各电量的波形分析可以看出，在双极性SPWM控制方式时，电流型单相桥式整流器与电压型单相桥式整流器的相关电量的波形存在对偶性：

①电流型的交流侧电流i与电压型的交流侧电压u存在对偶性。

②电流型的交流侧电容器上的电压U_C与电压型的电网电流i_s存在对偶性。

③电流型的直流侧电压U_D与电压型的直流侧电流I_d存在对偶性。

④电流型的直流侧电流I_d与电压型的直流侧电压U_D存在对偶性。

（2）单极性SPWM控制方式下的工作过程和相关电量的波形

单极性SPWM控制方式时，其控制波形如图3-84所示，开关函数p为三值逻辑函数，即

图3-87 电流型单相桥式整流器在双极性SPWM控制方式时相关电量的波形

在采用单极性SPWM控制方式时，图3-82所示的电路中，VT₁、VD₁和VT₃、VD₃的工作频率为载波u_c的频率f_c，而VT₂、VD₂和VT₄、VD₄的工作频率为调制波u_R的频率f_R（等于电网电压u_s的频率f）。

在p=1时，电网电压u_s为正，导通器件为VT₁、VD₁和VT₄、VD₄。此时，整流器的工作模式与双极性控制时的工作模式Ⅰ完全相同，电流的流动方向与图3-85所示的电流流动方向相同。

在p=-1时，电网电压u_s为负，导通器件为VT₂、VD₂和VT₃、VD₃。此时，整流器的工作模式与双极性控制时的工作模式Ⅱ完全相同，电流的流动方向与图3-86所示的电流流动方向相同。

在p=0时，有u_s为正和u_s为负两种情况：

1）在u_s为正时，开关函数p从1变换为0，此时，VT₁、VD₁关断，VT₃、VD₃导通。而VT₄、VD₄因工作在调制波频率f_R，所以仍处于导通状态。同理，VT₂、VD₂仍处于关断状态。电流的流动方向如图3-88所示。这时，U_D=0，i=0。此时，整流器运行在工作模式Ⅲ。

当开关函数p从0变换为1时，VT₄、VD₄和VT₂、VD₂保持原有状态不变，而VT₁、VD₁导通，VT₃、VD₃关断，整流器恢复到工作模式I。所以，在u_s为正时，整流器在工作模式Ⅰ和工作模式Ⅲ之间变换。

2）在u_s为负时，开关函数p从-1变换为0，此时，VT₃、VD₃关断，VT₁、VD₁导通。而VT₂、VD₂因工作在调制波频率f_R，所以仍处于导通状态。同理，VT₄、VD₄仍处于关断状态。电流的流动方向如图3-89所示。这时，U_D=0，i=0。此时，整流器运行在工作模式Ⅳ。

图3-88 p从1变为0，电流的流动方向

图3-89 p从-1变为0，电流的流动方向

当开关函数p从0变换为-1时，VT₂、VD₂和VT₄、VD₄保持原有状态不变，而VT₃、VD₃导通，VT₁、VD₁关断，整流器恢复到工作模式Ⅱ。所以，在u_s为负时，整流器在工作模式Ⅱ和工作模式Ⅳ之间变换。

表3-5所示为电流型单相桥式整流器在单极性SPWM控制方式时的工作模式。

表3-5 电流型单相桥式整流器在单极性SPWM控制方式时的工作模式

在工作模式Ⅲ和工作模式Ⅳ时，交流侧电流i=0，称为“零模式”。

各相关电量的波形分析与双极性SPWM控制方式相似，只是在单极性时，开关函数p为三值逻辑开关函数。在单极性SPWM控制方式时，电流型单相桥式整流器各相关电量的波形如图3-90所示（为方便起见，作图时采用了等脉宽）。

图3-90 在单极性SPWM控制方式时，电流型单相桥式整流器各相关电量的波形