PWM整流器相关的功率开关器件、主电路拓扑结构详细说明

0 引言

随着电力电子技术的迅速发展，各种电力电子装置在电力系统、工业、信息、交通、家庭等众多领域中的应用日益广泛。电力电子装置的非线性，引起网侧电流、电压波形的严重畸变，导致了日趋严重的谐波污染。相关资料表明，电力电子装置生产量在未来的十年中将以每年不低于10%的速度递增，由这类装置所产生的高次谐波约占总谐波源的70%以上。因此，谐波治理势在必行。

为了抑制电力电子装置产生的谐波，功率因数校正技术应运而生。本文主要对与PWM整流器相关的功率开关器件、主电路拓扑结构和控制方式等进行详细说明，在此基础上对PWM整流技术的发展方向加以探讨。

1 功率开关器件

PWM整流器的基础是电力电子器件，其与普通整流器和相控整流器的不同之处是采用了全控型器件。目前在PWM整流器中得到广泛应用的电力电子器件主要有如下几种。

1.1 门极可关断晶闸管(GTO)

GTO是最早的大功率可关断器件，是目前阻断电压最高和通态电流最大的全控型器件，已达6kV/6kA的制造水平。它由门极控制导通和关断，具有通过电流大、通态电压低、导通损耗小，dv/dt耐量高等优点，在大功率的场合应用较多。但是，GTO的缺点也很明显，诸如其驱动电路复杂并且驱动功率大，导致关断时间长，限制了器件的开关频率;关断过程中的集肤效应容易导致局部过热，严重情况下使器件失效;为了限制dv/dt，需要复杂的缓冲电路，这些都限制了GTO在各个领域的应用，现在GTO主要应用在中、大功率场合。

1.2 电力晶体管(GTR)

电力晶体管又称为巨型晶体管，是一种耐高压、大电流的双极型晶体管，该器件与GTO一样都是电流控制型器件，因而所需驱动功率较大，但其开关频率要高于GTO，因而自20世纪80年代以来，主要应用于中小功率的变频器或UPS电源等场合。目前其地位大多被绝缘栅双极晶体管(IGBT)和功率场效应管(PowerMOSFET)所取代。

1.3 功率场效应管(PowerMOSFET)

功率场效应管是用栅极电压来控制漏极电流的，属于电压控制型器件，因此，它的第一个显著特点是驱动电路简单，需要的驱动功率小;第二个显著特点是开关速度快，工作频率高。另外，Power MOSFET的热稳定性优于GTR。但是Power MOSFET电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的场合。

1.4 绝缘栅双极晶体管(IGBT)

IGBT是后起之秀，集MOSFET和GTR的优点于一身，既具有MOSFET的输入阻抗高、开关速度快的优点，又具有GTR耐压高、流过电流大的优点，是目前中等功率电力电子装置中的主流器件。目前的制造水平已经达到3.3kV/1.2kA。栅极为电压驱动，所需驱动功率小，开关损耗小、工作频率高，不需缓冲电路，适用于较高频率的场合。其主要缺点是高压IGBT内阻大，通态电压高，导致导通损耗大;在应用于高(中)压领域时，通常须多个串联。

1.5 集成门极换流晶闸管(IGCT)和对称门极换流晶闸管(SGCT)

IGCT是在GTO的基础上发展起来的新型复合器件，兼有MOSFET和GTO两者的优点，又克服了两者的不足之处，是一种较为理想的MW级的高(中)压开关器件。与MOSFET相比，IGCT通态电压更低，承受电压更高，通过电流更大;与GTO相比，通态电压和开关损耗进一步降低，同时使触发电流和通态时所需的门极电流大大减小，有效地提高了系统的开关速度。IGCT采用的低电感封装技术使得其在感性负载下的开通特性得到显著改善。与GTO相比，IGCT的体积更小，便于和反向续流二极管集成在一起，这样就大大简化了电压型PWM整流器的结构，提高了装置的可靠性。其改进形式之一称为对称门极换流晶闸管(SGCT)，两者的特性相似，不同之处是SGCT可双向控制电压，主要应用于电流型PWM中。目前，两者的制造水平已经达到6kV/6kA。

2 PWM整流器的主电路拓扑结构

PWM整流器根据主电路中开关器件的多少可以分为单开关型和多开关型;根据输入电源相数可以分为单相PWM整流电路和三相PWM整流电路;根据输出要求可以分为电压源型和电流源型。下面介绍几种常见的三相PWM整流电路的拓扑结构并简要分析它们的工作特性。

2.1 三相单开关PWM整流电路

三相单开关PWM整流器的主电路拓朴结构主要有如下几种。

2.1.1 单开关Boost型(升压型)

电路如图1所示，其中输出电压恒定，工作于电流断续模式(DCM)，这种电路结构简单，在PWM整流电路中应用广泛。

图1 三相单开关Boost型

2.1.2 单开关Buck型(降压型)

电路如图2所示，与升压型成对偶关系，其输出电流恒定，输出电压较低，工作于断续电流模式(DCM)。

图2 三相单开关Buck型

2.2 三相多开关PWM整流电路

三相多开关PWM整流器的主电路拓朴结构主要有如下几种。

2.2.1 六开关Boost型

亦称为两电平电压型整流器或三相桥式可逆PWM整流器。电路如图3所示，每个桥臂上的可关断开关管都带有反并联二极管，可以实现能量的双向流动。以A相为例予以说明：当A相下桥臂中的开关管导通时，A相储能电感储能;当其关断时，A相电感储能通过上桥臂的二极管向直流侧释放磁能。因此，从广义上讲，这种桥式PWM可逆整流器拓扑，仍属于升压式结构。六开关Boost型PWM整流器的特点是结构简单且宜于实现有源逆变，因而是目前应用和研究最为活跃的一种类型，也是多开关PWM整流电路中应用最为广泛的一种。

图3 三相多开关Boost型

2.2.2 六开关Buck型

也可称为两电平电流型整流器，电路如图4所示，直流侧电抗器一般要求很大。由于电流型变换器的特点，交流侧输入LC滤波器通常是必不可少的，以改善电流波形和功率因数。这种电路拓朴较适合于空间矢量调制，且有降压作用。其缺点是直流侧大电感内阻较大，消耗功率较大导致其效率略低于六开关Boost型。

图4 三相多开关Buck型

2.2.3 三电平PWM整流电路

在大功率PWM变流装置中，常采用拓朴结构如图5所示的三点式电路，这种电路也称为中点钳位型(Neutral Point Clamped)电路。与两点式PWM相比，三点式PWM调制波的主要优点，一是对于同样的基波与谐波要求而言，开关频率低得多，从而可以大幅度降低开关损耗;二是每个主开关器件关断时所承受的电压仅为直流侧电压的一半，因此，这种电路特别适合于高电压大容量的应用场合。不过三点式PWM可逆整流器的缺点也是显而易见的，一方面其主电路拓扑使用功率开关器件较多，另一方面，控制也比两点式复杂，尤其是需要解决中点电位平衡问题。

图5 三电平PWM整流电路

从上面的分析可以知道，单开关主电路拓朴结构的共同优点在于，控制结构简单，易于实现，且电源可靠性高;缺点在于其应用场合受到开关器件的影响，开关器件的耐压水平高低和开关频率的高低限制了这种电路的应用，其主要应用于中小功率的变频器或UPS电源。

与单开关结构的PWM整流器相比，多开关PWM整流电路的共同优点在于功率因数高，谐波失真小，可实现能量的双向流动，调节速度快，应用范围宽，主要应用于中大功率场合。缺点也很突出，诸如电路结构复杂，控制难度大，而且需要检测和控制的点较多，提高了控制成本;器件的增多也降低了系统的可靠性。但由于其性能指标要高于单开关结构的PWM整流器，且可实现能量的双向流动，是很有发展前途的拓朴结构。

3 控制方式

控制技术是PWM高频整流器发展的关键。要使PWM整流器工作时达到单位功率因数，必须对电流进行控制，保证其为正弦且与电压同相或反相。根据有没有引入电流反馈可以将这些控制方法分为两大类：引入交流电流反馈的称为直接电流控制(DCC);没有引入交流电流反馈的称为间接电流控制，间接电流控制也称为相位幅值控制(PAC)。

3.1 间接电流控制

间接电流控制就是通过控制PWM整流器的交流输入端电压，实现对输入电流的控制。这种控制方法没有引入交流电流控制信号，而是通过控制输入端电压间接控制输入电流，故称间接电流控制。又因其直接控制量为电压，所以又称为相位幅值控制。其原理图如图6所示。

图6 间接电流控制框图

间接电流控制引入一个电压环，由电压环得到一个与整流电路输出功率相匹配的输入电流幅值给定。再经过两个乘法器转换成输入电流的有功分量ip和无功分量iq，分别经R和ωL环节后转换成电压信号再与电源电压相减后，便得到给定电压调制信号，最后与三角波比较产生控制用的PWM信号，控制主电路的工作。这种控制方式的电路简单，但由于缺少了电流环，响应速度受到一定程度的影响;另外，用到了电路参数R及L，电路参数与给定参数一致性较差，也会影响控制的精度。

3.2 直接电流控制

与间接电流控制相反，在控制电路中引入交流输入电流反馈信号，对输入电流进行直接控制，称为直接电流控制。根据电流跟踪方法的不同，直接电流控制可分为滞环电流比较法控制、定时瞬时电流比较法控制和三角波电流比较法控制等。

3.2.1 滞环电流比较法控制

图7所示为滞环电流比较法控制的原理图。以其中A相进行说明，基本工作原理是电压调节器输出与和电源电压同相位的单位正弦信号相乘得到A相电流参考信号iA*，iA*再与检测到的A相电流信号iA比较，经过滞环产生PWM调制波，对各开关器件进行控制，达到控制电流与电压完全同相或反相的目的。

图7 滞环电流比较法控制原理图

滞环电流比较法控制实现很方便，控制简单，且控制误差可由滞环宽度调节，若设计合适可达到较高的控制精度，故实际应用较广。在使用中，器件开关频率取决于滞环宽度，导致器件的开关频率较大，造成器件选择较难且滤波器的设计复杂。

3.2.2 定时瞬时电流比较法控制

图8所示为定时瞬时电流比较法控制的原理图。定时瞬时电流比较法控制与滞环电流比较法控制类似，都包括电压、电流反馈且PWM调制波产生方法也相同。不同之处是，引入时钟信号定时将反馈电流与指令电流进行比较，产生PWM调制波控制开关器件的通断，保证电压、电流的同相位，且器件的开关频率固定。

图8 定时瞬时电流比较法控制原理图

定时瞬时电流比较法控制可有效克服滞环电流控制开关频率变化的缺点，使开关频率固定，但电流跟踪误差受到电网电压影响，且控制电路要比滞环电流比较法复杂。

3.2.3 三角波电流比较法控制

图9所示为三角波电流比较法控制的原理图。与前面两种控制方法类似，电路中也包括电流滞环和电压环，电流指令由电压环PI输出和一个与电压同相的单位正弦信号相乘得到，指令电流和反馈电流经电流调节器后与三角波信号比较后，得到控制用PWM调制波，控制开关器件的通断，实现输出电流跟踪指令电流。

图9 三角波电流比较法控制原理图

三角波电流比较法控制也具有开关频率固定的优点，且单一桥臂的开关控制互补，为建模分析提供了方便，从而可方便地实现系统的谐波分析;在结构上，其控制电路比定时瞬时电流比较法控制简单，因而具有广阔的应用前景。

在直接电流控制中直接检测交流侧电流信号加以控制，系统响应快，动态响应好，但检测量过多，控制复杂。间接电流控制从稳态相量关系出发进行电流控制，尽管动态响应较慢，但其具有结构简单、检测量少、控制简单、概念清晰的特点，可得到最优的性能价格比。

4 结语

通过上述分析，PWM整流技术的应用会越来?广泛，其发展也会呈现出多种趋势，但主要归结为三个方面：功率器件、主电路拓朴和控制方法。

1)新型全控型器件的发展器件是PWM整流技术赖以实现的基础，新技术的出现和新材料的应用，必然会产生更新、更好的功率器件，从而推动PWM整流技术的发展。

2)主电路拓朴PWM整流器的最大优势就是对电网的影响较小，为了进一步降低影响，提高功率因数，人们必然会对整流器的拓朴结构进行改进，现在已经出现五电平、七电平结构，随着功率器件和应用水平的提高，必然会有更新、更好的电路拓朴结构出现。

3)控制方法一方面，主电路拓朴的多样化，必然会引起控制方法的变异，甚至会产生更新、更简单的控制方法;另一方面，现代控制理论和计算机技术的发展也为新的方法的出现奠定了坚实的基础，现在状态反馈控制、变结构控制已经开始应用到PWM整流器的控制中来。