AC-DC转换电路设计

将交流电变换成直流电的过程称为AC-DC变换或整流。传统的整流电路是利用二极管或晶闸管的单向导电性，将交流电变换成直流电的电路，是电力电子技术最早推广应用的电路类型。实现整流的电力半导体器件，连同辅助元器件及控制系统称之为整流器或AC-DC变换器。现代整流器出现了采用PWM控制技术与全控型器件相结合的拓扑结构，具有AC-DC／DC-AC双向变换功能，整流电路通常是指实现电能转换的主电路拓扑，它的类型很多，按使用的器件类型可分为不控整流、相控整流和PWM斩波整流三类。

1.二极管整流器——不控整流

由于二极管是不可控器件，因此，整流电路的输出电压也是不可控的，其大小取决于输入电压和电路的形式，主要为需求固定直流电压的负载供电。图3-10所示为三相桥式二极管整流器。

图3-10 三相桥式二极管整流器

a）输出电压型 b）输出电流型

根据负载的不同性质，输出端采用的滤波电路不尽相同。要求电流稳定的负载一般只加电感滤波；要求电压稳定的负载，一般只加电容滤波；既要电压稳定，又要电流稳定的负载，需要同时用电感、电容组成的LC滤波电路。加电感滤波还可提高输入交流电源的功率因数，减小谐波。

2.晶闸管整流器——相控整流

由于晶闸管是半控器件，通过控制门极的触发角，就能控制晶闸管的导通时刻。达到控制（移相调节）输出直流电压的目的，同时将输入的交流电整流成可控的直流电，提供给要求电压连续可变的负载。图3-11所示为三相桥式晶闸管整流器。晶闸管整流器的拓扑与二极管整流器基本类似，只要将二极管整流器件用晶闸管代替，保留原电路二极管续流器件即可。但由于晶闸管的可控性，构成的桥式整流电路又可以分为半控桥和全控桥两类。此外，完整的晶闸管整流器还需要移相触发电路、控制电路、检测和保护电路。比二极管整流器具有更多的选择性和复杂性。工作于相位控制模式的晶闸管，产生的谐波对电网会造成二次污染，深度调压时功率因数低也是这种电路的主要缺点。

3.PWM整流器—斩波整流

随着电力电子设备的大量应用，谐波、低功率因数对公共电网的危害日益严重，为改善电网质量、提高电能利用效率，一种新的脉宽调制（PWM）型高频开关模式整流器（SMR）于20世纪90年代投入实际应用。PWM-SMR整流器网侧功率因数高、谐波分量低，可AC-DC／DC-AC双向变换，可利用一套电源进行正、反向整流、逆变的四象限运行；与传统的二极管不控整流和晶闸管相控整流器相比，具有网侧电流畸变小，功率因数任意可控等优点。此外，SMR和传统相控整流器相比，体积、质量可以成倍减小，且动态响应快，是取代传统整流器的理想电源。

PWM-SMR整流器一般采用全控型电力电子开关器件（电力MOSFET、IGBT），用高频脉宽调制（PWM）信号驱动其导通或关断，所以从本质上讲属于PWM斩波整流器。PWM整流器的类型繁多，根据电路拓扑结构和外特性，PWM整流器可以分为电压型（升压型或Boost型）和电流型（降压型或Buck型）。升压电路的特点是输出的直流电压高于交流输入电源线电压峰值，这是其升压拓扑结构决定的，升压型整流器输出一般呈电压源特性。电流型或降压型整流器输出的直流电压总是低于交流输入电源的峰值电压，这也是由其电路拓扑结构决定的，降压型整流器输出一般呈电流源特性。按是否具有能量回馈功能，可将PWM整流器分为无能量回馈的整流器（PFC）和具有能量回馈的开关模式整流器（Reversible SMR）。无论哪一种PWM整流器，都基本上能达到功率因数为1，但不同的结构在谐波含量、控制的复杂性、动态性能、电路体积、质量、成本等方面有较大差别。

图3-11 三相桥式晶闸管整流器(www.xing528.com)

a）输出电压型半控 b）输出电流型半控 c）输出电压型全控 d）输出电流型全控

能量可回馈型的PWM整流器均采用全控型半导体开关器件，它比PFC电路具有更快的动态响应速度和更好的输入电流波形。另外，它还可以把交流输入端的功率因数控制为任意值，实现交流直流侧的双向能量流动。在实际应用中，特别是中小功率领域，将二极管与自关断器件反并联，可组成一个双向导电的开关器件，在直流侧并联一个大电容构成电压型的PWM整流器，是能量可双向流动的高频PWM整流器的主流。

图3-12和图3-13分别是单相半桥和单相全桥［电压型（升压型）PWM］整流器，图3-14是三相电压型PWM整流器。除必须有网侧电感L外，PWM整流器的主电路拓扑结构和逆变器一样。稳态工作时，整流器输出直流电压不变，开关管按正弦规律做脉宽调制，整流器交流侧（网侧）的输入电压U_i从直流侧观察与逆变器的工作原理相同，可看作DC-AC逆变工作。由于电感的滤波作用，忽略整流器交流侧输出交流电压的谐波，变换器可以看作三相平衡的可控正弦波电压源。它与电网的正弦电压U_S共同作用于电感L，产生正弦输入电流（i_a、i_b、i_c）。适当控制整流器交流端电压U_i的幅值和相位，就可以获得所需大小和相位的输入电流i。

图3-12 单相半桥整流器

图3-13 单相全桥整流器

图3-14 三相电压型PWM整流器

图3-15所示为三相电流型（降压型）PWM整流器，由于网侧电感L很大，电流型整流器一般不用于单相。因为直流输出平波电抗器L_d的储能和滤波作用，其输出呈直流电流源特性。从交流侧看，电流型整流器可以看成是一个可控电流源。与电压型相比，电流型整流器具有独特的优点。首先，由于输出电感的存在，它没有桥臂直通和输出短路现象；其次，开关器件直接对直流电流做脉宽调制，所以其输入电流控制简单，理论上，即使电流开环也能得到比较好的输入电流波形和快速的电流响应。不过，电流型整流器通常要经LC滤波后，再与电网相接，且由于直流侧的平波电感和交流侧LC滤波器的存在，使电源的体积和质量显著增大。

图3-15 三相电流型PWM整流器

电流型PWM整流器应用不广泛的原因有两个：一是电流型整流器输出电感的体积、质量和损耗都比较大；二是常用的现代全控开关器件，如IGBT、MOSFET存在集成在器件内部的反并联二极管，使其成为反向自然导电的逆导型开关器件。在电流型变流器电路中，为防止电流反向流动，必须在外部串联一个反向隔离二极管，造成主电路结构复杂，且通态损耗加大，电流型PWM整流器通常只在大功率、采用GTO器件的应用场合使用，因为GTO本身具有单向导电特性，不必再串接隔离二极管，而电流型PWM整流器具有较高的可靠性，在大容量电源中采用有利电路的过电流保护。

从更广的角度看，无论是电流型还是电压型的PWM整流器，都属于能量可双向流动的AC-DC／DC-AC变换器，既可运行于整流状态，也可运行于逆变状态，整流器只是其功能之一。上述的主电路结构还可用于无功补偿器，有源电力滤波器，风力、太阳能并网发电，电力储能系统，有源电子负载等应用领域。