基于Matlab的单相电压型PWM整流电路仿真与设计.docx

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基于Matlab的单相电压型PWM整流电路仿真与设计

基于Matlab的单相电压型PWM整流电路仿真与设计

摘要

现代工业中，很多场合需要进行电能变换,例如把直流电能变为交流电能,交流电能变为直流电能。

直流电能变为交流电能由逆变器实现,交流电能变为直流电能由整流器实现。

随着整流器的广泛应用，关于传统整流器的一些问题也日益突出，输入功率因数较低，输入电流含有大量谐波。

针对传统的不控整流和相控整流中存在的谐波污染问题，采用直接电流控制中的双环控制策略，设计了单相全桥电压型PWM整流器的控制系统。

建立了系统的SIMULINK模型并进行了仿真。

仿真结果表明：

该控制系统结构设计合理,参数选取适当，能实现有效控制。

详细分析单相电压型PWM整流电路的工作原理和工作模式。

说明通过对PWM电路进行控制，选择合适的工作模式和工作时序，可使PWM整流电路的输出直流电压得到有效的稳定。

近年来PWM整流器迅速成为了研究热点，因为它不仅获得了可控的AC/DC变换性能，而且具有输入单位功率因数和低谐波电流,能量双向传输等优点。

关键词：

单相电压型；PWM整流；功率因数；Matlab仿真

Thesingle-phasevoltagesourcePWMrectifiercircuitbasedonMatlabsimulationanddesign

Abstract

Inmodernindustry,weneedforpowerconversiononmanyoccasions,forexample,theexchangeofACpowerintoDCpowerandDCpowerintoACpower.ACpowercanbetransferredintoDCpowerbyusingtherectifierandDCpowercanbetransferredintoACpowerbyusingtheinverter.Sincetherectifiersareextensivelyused,severalproblemswithregardtotraditionalrectifiershaveariseninrecentyears,suchasalowinputpowerfactor,andtheharmonicsintheinputcurrents.Inordertoeliminatetheharmonicpollutioncausedbythetraditionalphasecontrolledoruncontrolledrectifiers,asingle-phasefull-bridgevoltage-typerectifierhasbeendesignedinwhichthe2-ringcontrolPWMtechniqueofdirectlycurrent-controlledstrategiesisadopted.AndtheSIMULENKmodelhasbeenbuilttosimulatethissystem.Theresultthusindicatesthatthecontrolsystemisoflogicalconfigurationandproperparameter.

Thetheoryandworkingmodesaboutsingle-phasevoltagesourcePWMrectifierareelaboratelyanalysedinthispaper,whichillustratethatthevoltageinDCsidecanbeeffectivelystabilizedwithPWMcontrolbyselectingburstmodeandtime.

Therefore,pulse-widthmodulatedrectifiershaverapidlyattractedtheresearchinterestoverthepastfewyearsduetosomeoftheirsignificantadvantages,suchascontrollableofAC-DCvoltage,unitypowerfactor,lowharmonicdistortionofinputcurrents,powerregenerationcapability,etc.

Keywords：

single-phasevoltagetype；PWMRectifier；Thepowerfactor；MatlabSimulation.

插图清单

图2-1形状不同而冲量相同的各种窄脉冲．．．．．．．．．．．．．．．．．．4

图2-2冲量相同的各种窄脉冲的响应波形．．．．．．．．．．．．．．．．．．5

图2-3PWM波代替正弦波．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5

图2-4规则采样法．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．.7

图2-5滞环比较法控制的原理框图．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．8

图3-1乘法器控制的PFC原理框图.．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．11

图3-2电感输入型与电容输入型PFC电路图．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．13

图3-3两级式和单级式PFC变换器方框图．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．..14

图3-4典型的乘法器方式PFC电路.．．．．．．．．．．．．．．．．．．．..16

图3-5电压跟随器BoostPFC电路.．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．16

图3-6升压型PFC电路.．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．.．．．18

图3-7降压型PFC电路.．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．19

图3-8升降压型PFC电路．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．19

图3-9正激型PFC电路．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．20

图3-10反激型PFC电路．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．20

图3-11单级电路．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．21

图4-1APFC电路原理图．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．22

图4-2Matlab整流电路仿真电路图．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．25

图4-3网侧电压的参数．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．26

图4-4PID调节器的参数．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．26

图4-5Relay滞环比较器的参数．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．26

图4-6Mosfet参数．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．27

图4-7二极管参数．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．27

图4-8仿真时的环境参数．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．28

图4-11输出电压uo的仿真波形．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．28

图4-12ui和ii的仿真波形．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．29

图4-13Ud和iL的波形．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．29

图4-14功率因数仿真波形．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．30

图4-15Subsystem．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．..30

图4-16Subsystem1．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．31

表格清单

表3-1电感输入型与电容输入型PFC电路的对偶性对照.......................12

引言

第1章概述

功率因数校正（PFC）技术诞生与20世纪80年代，它采用的是高频开关工作方式，具有体积小，重量轻，效率高，输入功率因数（PF）接近1的优点，因而受到了人们的关注。

但20世纪80年代的功率因素校正技术大部分是寄予Boost电路原理。

所以说20世纪80年代是Boost功率因素校正年代。

这个阶段的注意特点是：

校正器采用的是“乘法器（Multiplier）原理进行控制，校正器工作在连续导电模式（CCM）可以获得较大的功率转换容量。

但是控制比较复杂，不适合200Ｗ以下小容量使用：

20世纪80年代后期又针对小容量整流器提出了电压跟随器校正技术，校正器工作在不连续导电模式（DCM），使控制电路大大简化，很适合200Ｗ以下小容量整流器使用，一般不能用在较大功率整流器中。

大家熟知,在传统的变流电路中,晶闸管可控整流装置的功率因数会随着其触发角的增加而变坏,这不但使得电力电子类装置成为电网中的主要谐波因素,也增加了电网中无功功率的消耗。

PWM整流电路是采用脉宽调制技术和全控型器件组成的整流电路,能有效地解决传统整流电路存在的问题。

通过对PWM整流电路进行有效的控制,选择合适的工作模式和工作时序,从而调节了交流侧电流的大小和相位,使之接近正弦波并与电网电压同相或反相,不但有效地控制了电力电子装置的谐波问题,同时也使得变流装置获得良好的功率因数；同时PWM控制主要用于逆变电路，主要采用电流滞环法控制，这种控制电路主要是硬件电路简单，经济，而且对电压的利用率高，对网侧污染少，提高了功率因素。

SPWM（SinusoidalPWM）法是一种比较成熟的,目前使用较广泛的PWM法.前面提到的采样控制理论中的一个重要结论:

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.SPWM法就是以该结论为理论基础,用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆变电路中开关器件的通断,使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等,通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值。

PWM调制是现代发展起来的一项技术，工程上主要有滞环比较法和三角波比较法，较之后者，滞环比较控制方式的硬件电路简单，属于实时控制，电流响应快，对负载的适应性强，由于不需要载波，所以输出电压不含特定频率的谐波分量，另外，这种控制方式，有利于提高电压利用率，但在响应快的同时，电流脉动也很大，而且滞环的宽度也难控制，若宽度过大，开关频率和开关损耗可降低，但跟踪误差增大，若宽度过小，开关频率和开关损耗增大，跟踪误差可减小，再者，如果宽度固定，电流跟随误差范围也是固定的，但是开关器件的频率是变化的，这就对电力器件的工作频率提出了更高的要求，今后电力电子技术将会得到进一步发展，高频电力电子器件会应运而生，对上面目前不足将得到很大的改善。

1.1课题研究的意义

在工业技术迅速发展的今天，人们对所使用的电能的质量要求越来越高；随着能源危机的日益严重，以节能高效,合理优质使用电能为特点的电力电子装置得到空前的发展。

现在经过转换加工处理后再供家庭和公共使用的电能占整个国家的发电量的比例的大小，已经成了衡量一个国家科学技术水平高低的重要标志。

根据相关资料记述，1995年发达国家中有75%左右的电能是经过电力电子技术变换或控制后在使用。

进入21世纪后，将有95%电能需经过转换及加工处理后在使用。

而美国预计到21世纪头二三十年，整个美国所产生的电能都会经过转换及加工处理后再供家庭及公众所使用。

电力电子技术在人们的日常生活带来便利的同时，也引起一个新问题，即对电网的污染问题。

传统的整流电路基本都采用不控整流，输出并联大电容滤波。

这种电路的优点是具有非常高的可靠性，结构简单，已使用方便，不需要控制电路，因此在20世纪时用到此电路的地方十分多。

但此种整流器的大规模应用的同时也产生了几个方面的问题。

（1）二极管的整流将会使得电网侧的电流波形发生很大的变化，从而使得功率因数下降很多。

无边功率的大量损失会给电网带来计划外的风险，不单是电线路的损失加大，而起非常严重地影响了供电的电能质量。

（2）进一步研究二极管整流电路输入电流的频谱，我们发现输入电流中包含有比较多的低次谐波流。

（3）因为二极管是单向导电，所以对交流的变频调速系统而言，电机制动的再生能量将无法回馈给电网，因此提高系统的效率及性能方面而言有一定的局限性。

（4）深控时网侧的功率因数降低。

（5）闭环控制时动态响应相应来说较慢。

　展望21世纪电力电子产业或电源产业的发展趋势，其动向就是围绕提高效率、提高性能、消除电力公害、减少电磁干扰和电噪声进行不懈的研究。

为此，我国电力电子行业未来几年开展研究的重点领域应是进一步提高电能变换效率，降低待机损耗；避免电力公害，尽量减少网侧电流谐波，并使网侧功率因数接近1；提高电源装置和系统的电磁兼容性；降低电噪声；通过实施高频化、元件小型化和先进工艺，实现产品的小型化和轻量化。

1.2国内外研究现状

国内外都在基于DSP的移相全桥倍流整流电路的研究，中大功率场合下，由于开关管电压应力低、易于实现软开关等优点，移相全桥电路得到比较广泛的应用。

其副边的整流电路形式主要有：

全桥、全波、倍流等方式。

全桥方式应用于输出电压较高的场合。

对于输出电压不高的场合，全波电路由于其元件少，结构简单等优点得到广泛应用。

但它也存在一些问题，诸如占空比丢失、整流二极管的反向恢复引起的电压尖峰以及两桥臂实现ZVS（零电压开关）的差异。

倍流整流方式则可以克服上述缺点。

本文详细分析了倍流电路的工作原理，并将数字控制应用于此电路中，从而克服了模拟控制的一些缺点，取得了较好的控制效果。

其中电路采用数字控制方法，DSP采样输出电压和电感电流，采用电压电流双闭环，以实现稳压并且提高系统的性能。

由于PI调节器算法简单、可靠性高，一直被广泛应用于工业控制，所以本文也采用数字PI调节，将电压环的输出作为电流环的给定。

同时，为防止可能出现的积分饱和的情况，在算法中加入了抗饱和环节。

1.3本论文研究的主要工作

（1）设计功率因数测定电路。

（2）设计功率因数校正电路。

（3）设计整流电路任务：

输入电压：

单相220V（1±15%），50HZ；输出直流电压400V（1±15%）。

（4）进行仿真验证。

整流任务完成；电源功率因数达到0.95以上。

第2章PWM控制技术

2.1PWM简介

PWM的全称是PulseWidthModulation（脉冲宽度调制），它是通过改变输出方波的占空比来改变等效的输出电压。

　　SPWM（SinusoidalPWM）法是使用较广泛的PWM法。

采样控制理论中的一个重要结论:

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。

SPWM法就是以该结论为理论基础，用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆变电路中开关器件的通断，使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等,通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值。

2.2PWM控制原理和应用

2.2.1PWM控制的基本原理

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。

低频段非常接近，仅在高频段略有差异。

图2-1形状不同而冲量相同的各种窄脉冲

面积等效原理：

分别将如图2-1所示的电压窄脉冲加在一阶惯性环节（R-L电路）上，如图2-2a所示。

其输出电流i（t）对不同窄脉冲时的响应波形如图2-2b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。

用傅里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2-2冲量相同的各种窄脉冲的响应波形

下面分析如何用一系列等副不等宽的脉冲来代替一个正弦波。

把图2-3的正弦波分成N等份，就可以把正弦半波看成是有N个彼此相连的脉冲序列所组成的波形。

这些脉冲宽度相等，且脉冲顶部不是水平直线，而是曲线，各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波部分的中点重合，且使矩形脉冲相应的正弦波部分面积相等，就得到图b所示的脉冲序列。

这就是PWM波形。

可以看出，个脉冲的幅值相等，而宽度是按正弦波规律变换的。

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。

像这种脉冲的宽度按正弦波规律变化和正弦波等效的PWM波形，也称为SPWM波形。

图2-3PWM波代替正弦波

要改变等效输出正弦波的幅值时，只要按照同一比例系数改变上述各脉冲的宽度即可。

PWM波形可分为等幅PWM波和不等幅PWM波两种。

由直流电源产生的PWM波通常是等幅PWM波。

如直流斩波电路。

其PWM波都是又直流源产生的，由于直流源电源幅值基本恒定，因此PWM波是等幅的。

不管什么PWM波，都是基于面积等效原理来进行控制的，因此其本质是相同的。

2.2.2PWM计算法和调制法

（1）计算法

根据正弦波频率、幅值和半周期脉冲数，准确计算PWM波各脉冲宽度和间隔，据此控制逆变电路开关器件的通断，就可得到所需PWM波形，当输出正弦波的频率、幅值或相位变化时，结果都要变化。

缺点是计算繁琐，工作量大，当输出正弦波的频率，幅值或相位发生变化时，结果都要变化。

（2）调制法

（1）输出波形作调制信号，进行调制得到期望的PWM波

（2）通常采用等腰三角波或锯齿波作为载波，等腰三角波应用最多。

（3）其任一点水平宽度和高度成线性关系且左右对称

（4）与任一平缓变化的调制信号波相交，在交点控制器件通断，就得宽度正比于信号波幅值的脉冲，符合PWM的要求。

（5）调制信号波为正弦波时，得到的就是SPWM波。

（6）调制信号不是正弦波，而是其他所需波形时，也能得到等效的PWM波。

异步调制和同步调制

载波比——载波频率fc与调制信号频率fr之比，N=fc/fr.

根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，PWM调制方式分为异步调制和同步调制

a.异步调制

异步调制——载波信号和调制信号不同步的调制方式

b.同步调制

同步调制——N等于常数，并在变频时使载波和信号波保持同步

c.分段同步调制

把fr范围划分成若干个频段，每个频段内保持N恒定，不同频段N不同，在fr高的频段采用较低的N，使载波频率不致过高在fr低的频段采用较高的N，使载波频率不致过低为防止fc在切换点附近来回跳动，采用滞后切换的方法同步调制比异步调制复杂，但用微机控制时容易实现可在低频输出时采用异步调制方式，频输出时切换到同步调制方式，这样把两者的优点结合起来，和分段同步方式效果接近。

2.2.3规则采样法

按SPWM基本原理，在正弦波和三角波的自然交流电时刻控制功率器件的通断，这种生成SPWM波形的方法称为自然采样法。

自然采样法是最基本的方法，所得到的SPWM波形很接近正弦波。

但这种方法要求解复杂的超越方程，在采用微机控制技术时需花费大量的计算时间，难以在实时控制中在线计算，因而在工程上实际应用不多。

工程实用方法，效果接近自然采样法，计算量小得多，但计算量却比自然采样法小的多。

图2-4为规则采样法说明图。

取三角波两个

正峰值之间为一个采样周期Tc，在规则采样法

中，脉冲中点和三角波一周期的中点（即

负峰点）重合，这样就使计算大为简化。

如

图所示，三角波的负峰时刻tD对正弦信号波

采样得D点，过D作水平直线和三角波分别

交于A、B点，在A点时刻tA和B点时刻

tB控制开关器件的通断。

脉冲宽度d和用自

然采样法得到的脉冲宽度非常接近。

式中，a称为调制度，0≤a<1；wr为信号

波角频率。

从图2-4得因此可得：

三角波一

周期内，脉冲两边间隙宽度：

图2-4规则采样法

2.2.4PWM跟踪控制技术

把希望输出的波形作为指令信号，把实际波形作为反馈信号，通过两者的瞬时值比较来,决定逆变电路各开关器件的通断，使实际的输出跟踪指令信号变化。

常用的有滞环比较方式和三角波比较方式。

（1）滞环比较方式

图2-5滞环比较法控制的原理框图

基本原理是：

电压外环的任务是得到可以实现控制目标的电感电流指令值i*L,给定输出电压u*o减去测量到的实际输出电压

的差值，经PI调节器后输出电感电流的幅值指令I*L，测量到的整流桥出口电压

除以其幅值Um后，可以得到表示

波形的量U’d，U’d为幅值为1的正弦波，相位与

相同，I*L与u*d相乘，便可以得到电感电流的指令值i*L。

i*L为与

同相位的正弦半波电流，其幅值可控制直流电压

的大小。

电流内环的任务是通过控制开关管Q的通断，使实际的电感电流

跟踪其指令值i*L。

此处采用滞环控制方法。

根据电感电流的公式，当Q导通是电感电流增大，二当Q关断时电感电流减小。

令i*L减去

。

若差值△

min小于零（△

min<0），则令Q关断，以减小

。

通过滞环控制，可以保证实际的电感电流

在其指令值i*L附近波动，波动的大小与滞环宽度有个，即与设定的△

max和△

min有关。

（2）三角波比较方式

基本原理是：

通常把三角波作为载波

，调制信号作为信号波

，两种进行比较产生脉冲波，来作为可控器件的脉冲信号，具体不再详细阐述。

2.3PWM控制技术的应用

PWM控制技术是在电力电子领域有着广泛的应用，并对电力电子技术产生了十分深远影响的一项技术。

IGBT、电力MOSFET等为代表的全控型器件的不断完善给PWM控制技术提供了强大的物质基础，直流斩波电路实际上就是直流PWM电路，是PWM控制技术应用较早也成熟较早的一类电路，应用于直流电动机调速系统就构成广泛应用的直流脉宽调速系统。

2.3.1PWM控制技术用于交流—交流变流电路

斩控式交流调压电路和矩阵式变频电路是PWM控制技术在这类电路中应用的代表，目前其应用都还不多，但矩阵式变频电路因其容易实现集成化，可望有良好的发展前景。

2.3.2PWM控制技术用于逆变电路

PWM控制技术在逆变电路中的应用最具代表性，正是由于在逆变电路中广泛而成功的应用，才奠定了PWM控制技术在电力电子技术中的突出地位，除功率很大的逆变装置外，不用PWM控制的逆变电路已十分少见。

2.3.3PWM控制技术用于整流电路即构成PWM整流电路

可看成逆变电路中的PWM技术向整流电路的延伸，PWM整流电路已获得了一些应用，并有良好的应用前景，PWM整流电路作为对第2章的补充，可使我们对整流电路有更全面的认识。

2.3.4PWM控制技术与相位控制技术

以相控整流电路和交流调压电路为代表的相位控制技术，电力电子电路中仍占据着重要地位，以PW