脈寬調(diào)制整流電路簡(jiǎn)介

摘要：脈寬調(diào)制整流技術(shù)具有非常廣闊的應(yīng)用前景。從功率器件，主電路拓樸和控制方法三個(gè)方面對(duì)其進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，并對(duì)其未來(lái)發(fā)展進(jìn)行了預(yù)測(cè)。

關(guān)鍵詞：脈寬調(diào)制整流器；功率器件；電路拓?fù)?；控制方?

0 引言

隨著電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，各種電力電子裝置在電力系統(tǒng)、工業(yè)、信息、交通、家庭等眾多領(lǐng)域中的應(yīng)用日益廣泛。電力電子裝置的非線(xiàn)性，引起網(wǎng)側(cè)電流、電壓波形的嚴(yán)重畸變，導(dǎo)致了日趨嚴(yán)重的諧波污染。相關(guān)資料表明，電力電子裝置生產(chǎn)量在未來(lái)的十年中將以每年不低于10％的速度遞增，由這類(lèi)裝置所產(chǎn)生的高次諧波約占總諧波源的70％以上。因此，諧波治理勢(shì)在必行。

為了抑制電力電子裝置產(chǎn)生的諧波，功率因數(shù)校正技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。本文主要對(duì)與PWM整流器相關(guān)的功率開(kāi)關(guān)器件、主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方式等進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，在此基礎(chǔ)上對(duì)PWM整流技術(shù)的發(fā)展方向加以探討。

1 功率開(kāi)關(guān)器件

PWM整流器的基礎(chǔ)是電力電子器件，其與普通整流器和相控整流器的不同之處是采用了全控型器件。目前在PWM整流器中得到廣泛應(yīng)用的電力電子器件主要有如下幾種。

1.1 門(mén)極可關(guān)斷晶閘管(GTO)

GTO是最早的大功率可關(guān)斷器件，是目前阻斷電壓最高和通態(tài)電流最大的全控型器件，已達(dá)6kV/6kA的制造水平。它由門(mén)極控制導(dǎo)通和關(guān)斷，具有通過(guò)電流大、通態(tài)電壓低、導(dǎo)通損耗小，dv/dt耐量高等優(yōu)點(diǎn)，在大功率的場(chǎng)合應(yīng)用較多。但是，GTO的缺點(diǎn)也很明顯，諸如其驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜并且驅(qū)動(dòng)功率大，導(dǎo)致關(guān)斷時(shí)間長(zhǎng)，限制了器件的開(kāi)關(guān)頻率；關(guān)斷過(guò)程中的集膚效應(yīng)容易導(dǎo)致局部過(guò)熱，嚴(yán)重情況下使器件失效；為了限制dv/dt，需要復(fù)雜的緩沖電路，這些都限制了GTO在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用，現(xiàn)在GTO主要應(yīng)用在中、大功率場(chǎng)合。

1.2 電力晶體管（GTR）

電力晶體管又稱(chēng)為巨型晶體管，是一種耐高壓、大電流的雙極型晶體管，該器件與GTO一樣都是電流控制型器件，因而所需驅(qū)動(dòng)功率較大，但其開(kāi)關(guān)頻率要高于GTO，因而自20世紀(jì)80年代以來(lái)，主要應(yīng)用于中小功率的變頻器或UPS電源等場(chǎng)合。目前其地位大多被絕緣柵雙極晶體管(IGBT)和功率場(chǎng)效應(yīng)管（PowerMOSFET）所取代。

1.3 功率場(chǎng)效應(yīng)管（PowerMOSFET）

功率場(chǎng)效應(yīng)管是用柵極電壓來(lái)控制漏極電流的，屬于電壓控制型器件，因此，它的第一個(gè)顯著特點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，需要的驅(qū)動(dòng)功率??；第二個(gè)顯著特點(diǎn)是開(kāi)關(guān)速度快，工作頻率高。另外，Power MOSFET的熱穩(wěn)定性?xún)?yōu)于GTR。但是Power MOSFET電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過(guò)10kW的場(chǎng)合。

1.4 絕緣柵雙極晶體管(IGBT)

IGBT是后起之秀，集MOSFET和GTR的優(yōu)點(diǎn)于一身，既具有MOSFET的輸入阻抗高、開(kāi)關(guān)速度快的優(yōu)點(diǎn)，又具有GTR耐壓高、流過(guò)電流大的優(yōu)點(diǎn)，是目前中等功率電力電子裝置中的主流器件。目前的制造水平已經(jīng)達(dá)到3.3kV/1.2kA。柵極為電壓驅(qū)動(dòng)，所需驅(qū)動(dòng)功率小，開(kāi)關(guān)損耗小、工作頻率高，不需緩沖電路，適用于較高頻率的場(chǎng)合。其主要缺點(diǎn)是高壓IGBT內(nèi)阻大，通態(tài)電壓高，導(dǎo)致導(dǎo)通損耗大；在應(yīng)用于高（中）壓領(lǐng)域時(shí)，通常須多個(gè)串聯(lián)。

1.5 集成門(mén)極換流晶閘管(IGCT)和對(duì)稱(chēng)門(mén)極換流晶閘管(SGCT)

IGCT是在GTO的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的新型復(fù)合器件，兼有MOSFET和GTO兩者的優(yōu)點(diǎn)，又克服了兩者的不足之處，是一種較為理想的MW級(jí)的高（中）壓開(kāi)關(guān)器件。與MOSFET相比，IGCT通態(tài)電壓更低，承受電壓更高，通過(guò)電流更大；與GTO相比，通態(tài)電壓和開(kāi)關(guān)損耗進(jìn)一步降低，同時(shí)使觸發(fā)電流和通態(tài)時(shí)所需的門(mén)極電流大大減小，有效地提高了系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)速度。IGCT采用的低電感封裝技術(shù)使得其在感性負(fù)載下的開(kāi)通特性得到顯著改善。與GTO相比，IGCT的體積更小，便于和反向續(xù)流二極管集成在一起，這樣就大大簡(jiǎn)化了電壓型PWM整流器的結(jié)構(gòu)，提高了裝置的可靠性。其改進(jìn)形式之一稱(chēng)為對(duì)稱(chēng)門(mén)極換流晶閘管(SGCT)，兩者的特性相似，不同之處是SGCT可雙向控制電壓，主要應(yīng)用于電流型PWM中。目前，兩者的制造水平已經(jīng)達(dá)到6kV/6kA。

2 PWM整流器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

PWM整流器根據(jù)主電路中開(kāi)關(guān)器件的多少可以分為單開(kāi)關(guān)型和多開(kāi)關(guān)型；根據(jù)輸入電源相數(shù)可以分為單相PWM整流電路和三相PWM整流電路；根據(jù)輸出要求可以分為電壓源型和電流源型。下面介紹幾種常見(jiàn)的三相PWM整流電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并簡(jiǎn)要分析它們的工作特性。

2.1 三相單開(kāi)關(guān)PWM整流電路

三相單開(kāi)關(guān)PWM整流器的主電路拓樸結(jié)構(gòu)主要有如下幾種。

2.1.1 單開(kāi)關(guān)Boost型（升壓型）

電路如圖1所示，其中輸出電壓恒定，工作于電流斷續(xù)模式（DCM），這種電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在PWM整流電路中應(yīng)用廣泛。

圖1 三相單開(kāi)關(guān)Boost型

2.1.2 單開(kāi)關(guān)Buck型（降壓型）

電路如圖2所示，與升壓型成對(duì)偶關(guān)系，其輸出電流恒定，輸出電壓較低，工作于斷續(xù)電流模式（DCM）。

圖2 三相單開(kāi)關(guān)Buck型