引言
??? 眾所周知，在傳統的整流電路中，晶閘管可控整流裝置的功率因數會隨著其觸發角的增加而變壞，這不但使得電力電子類裝置成為電網中的主要諧波因素，也增加了電網中無功功率的消耗。
??? PWM整流電路是采用脈寬調制技術和全控型器件組成的整流電路，能有效地解決傳統整流電路存在的問題。通過對PWM整流電路進行有效的控制，選擇合適的工作模式和工作時序，從而調節了交流側電流的大小和相位，使之接近正弦波并與電網電壓同相或反相，不但有效地控制了電力電子裝置的諧波問題，同時也使得變流裝置獲得良好的功率因數。

1 單相電壓型橋式PWM整流電路的結構
??? 單相電壓型橋式PWM整流電路最初出現在交流機車傳動系統中，為間接式變頻電源提供直流中間環節，電路結構如圖1所示。每個橋臂由一個全控器件和反并聯的整流二極管組成。L為交流側附加的電抗器，起平衡電壓，支撐無功功率和儲存能量的作用。圖1中uN(t)是正弦波電網電壓；Ud是整流器的直流側輸出電壓；us(t)是交流側輸入電壓，為PWM控制方式下的脈沖波，其基波與電網電壓同頻率，幅值和相位可控；iN(t)是PWM整流器從電網吸收的電流。由圖1所示，能量可以通過構成橋式整流的整流二極管VD1～VD4完成從交流側向直流側的傳遞，也可以經全控器件VT1～VT4從直流側逆變為交流，反饋給電網。所以PWM整流器的能量變換是可逆的，而能量的傳遞趨勢是整流還是逆變，主要視VT1～VT4的脈寬調制方式而定。

?因為PWM整流器從交流電網吸取跟電網電壓同相位的正弦電流，其輸入端的功率是電網頻率脈動的兩倍。
??? 由于理想狀況下輸出電壓恒定，所以此時的輸出電流id與輸入功率一樣也是網頻脈動的兩倍，于是設置串聯型諧振濾波器L2C2，讓其諧振輸出電流基波頻率的2倍，從而短路掉交流側的2倍頻諧波。

2 單相電壓型橋式整流電路的工作原理
??? 圖2是單相PWM電壓型整流電路的運行方式相量圖，us1(t)設為交流側電壓Us(t)的基波分量，iN1(t)為電流iN(t)的基波分量，忽略電網電阻的條件下，對于基波分量，有下面的相量方程成立，即：

可以看出，如果采用合適的PWM方式，使產生的調制電壓與網壓同頻率，并且調節調制電壓，以使得流出電網電流的基波分量與網壓相位一致或正好相反，從而使得PWM整流器工作在如圖2所示的整流或逆變的不同工況，來完成能量的雙向流動。

假設整流時有：

設Ucm為三角載波幅值；us(t)為單極性SPWM波，采用狀態空間平均模型分析，us在一個開關周期內的平均值表示為：

時能否使得交流側獲得高功率因數，此時有：

從相量圖及式(8)可以看出為保持單位功率因數，通過脈寬調制的適當控制，在不同的負載電流下，使向量端點軌跡沿直線AB運動。同理也能得到逆變工況下的運行條件，這里不再贅述。

3 單相電壓型PWM整流電路工作過程分析
??? 可以將電壓型單相橋式PWM整流電路的4個橋臂看成4個開關，任一時刻應有兩個橋臂導通。為避免輸出短路1，2橋臂和3，4橋臂都不允許同時導通。因此PWM整流電路有4種工作模式。圖3(c)給出PWM整流電路在整流工況下的控制信號時序分布。從圖中可以看出隨著調制信號的正、負半周變化，電路在如圖3(a)，(b)所示的短路、整流、短路3個狀態中交替變換。因此交流側電壓us(t)是一個單極性PWM波形，輸出幅值為±Ud和0；而對應的電感L上壓降uL分別取uN,uN-Ud和uN+Ud三種不同的值，這樣通過調節調制比m就能有效控制us1，進而使得電路的功率因數為1。

4 單相電壓型PWM電路控制策略分析
??? 根據功率平衡原理，系統穩定運行時有下式成立：

式中：Uc*是直流輸出參考電壓。對式(9)做拉氏變換，得到Id與Ud的傳遞函數：

假設PWM開關頻率足夠高，電流滯環可以使用一個小慣性環節代替，從而產生網側參考電流Id*到Id的傳遞關系：

式中：Ti電流滯環等效時間常數。為了濾除直流電壓偏差中的二次紋波，可設計一個低通濾波器，若采用簡單的一階低通濾波器，則截止頻率(fc=1／Tc)一般選在二分之一基波頻率以下，濾波器傳遞函數為：

根據前述分析得到采用直接電流控制策略時單相PWM整流器的控制框圖如圖4所示。參考電壓Udref與直流側輸出電壓Ud的差值，經低通濾波器后經PI調節與正弦同步信號相乘，產生參考電流信號isref，與相應的源側電流反饋信號isf，做比較，形成電流偏差信號，這樣隨著橋入端電平更迭，網側電流將始終圍繞電流給定值升降，把偏差信號加入相應的輸入調節電壓前饋，經滯環控制就得到調制信號，該調制信號與三角波載波相比較產生開關脈沖，經輸出去控制理想開關。

?

5 單相電壓型橋式PWM整流電路的仿真
??? 基于前述分析在Simulink 6．O軟件中，對單相電壓型PWM整流電路建立仿真電路，如圖5所示。

其中各個功能塊用子系統封裝好。主要有控制功能塊：包括電壓比較，電流比較，PI，P調節，低通濾波，三角載波信號功能子模塊，正弦同步信號輸出模塊。對全橋整流部分進行了封裝，結構和圖1所示相同。系統仿真參數如下：交流側電網電壓220 V，工頻直流側電阻R=10 Ω。主電路儲能元件參數為LN=3 mH，C=143μF。PI參數Ki=2.3,τi=128。直流側參考電壓仿真結果如圖6所示。

?從圖6中可看出仿真電路穩定運行后交流側電流為規則正弦波且與交流側電壓同相位。仿真后的電路功率因數穩定后，大于0．995基本接近于1。

6 結語
??? 由于傳統教學中有關PWM整流電路與應用等方面的論述中沒有很詳細地分析PWM整流電路的原理及其具體工作過程，在此以單相電壓型PWM整流電路為例，詳盡地討論其工作原理，分析具體的工作模式，給出了系統相應的控制策略，設計了單相電壓型PWM整流電路的仿真模型，并加以驗證取得了滿意的控制效果。對有關PWM整流電路教學實踐與工程實際應用有一定的參考意義。