脈寬調制整流電路簡介

摘要：脈寬調制整流技術具有非常廣闊的應用前景。從功率器件，主電路拓樸和控制方法三個方面對其進行了詳細的介紹，并對其未來發(fā)展進行了預測。

關鍵詞：脈寬調制整流器；功率器件；電路拓撲；控制方法

0 引言

隨著電力電子技術的迅速發(fā)展，各種電力電子裝置在電力系統(tǒng)、工業(yè)、信息、交通、家庭等眾多領域中的應用日益廣泛。電力電子裝置的非線性，引起網側電流、電壓波形的嚴重畸變，導致了日趨嚴重的諧波污染。相關資料表明，電力電子裝置生產量在未來的十年中將以每年不低于10％的速度遞增，由這類裝置所產生的高次諧波約占總諧波源的70％以上。因此，諧波治理勢在必行。

為了抑制電力電子裝置產生的諧波，功率因數(shù)校正技術應運而生。本文主要對與PWM整流器相關的功率開關器件、主電路拓撲結構和控制方式等進行詳細說明，在此基礎上對PWM整流技術的發(fā)展方向加以探討。

1 功率開關器件

PWM整流器的基礎是電力電子器件，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用的電力電子器件主要有如下幾種。

1.1 門極可關斷晶閘管(GTO)

GTO是最早的大功率可關斷器件，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6kV/6kA的制造水平。它由門極控制導通和關斷，具有通過電流大、通態(tài)電壓低、導通損耗小，dv/dt耐量高等優(yōu)點，在大功率的場合應用較多。但是，GTO的缺點也很明顯，諸如其驅動電路復雜并且驅動功率大，導致關斷時間長，限制了器件的開關頻率；關斷過程中的集膚效應容易導致局部過熱，嚴重情況下使器件失效；為了限制dv/dt，需要復雜的緩沖電路，這些都限制了GTO在各個領域的應用，現(xiàn)在GTO主要應用在中、大功率場合。

1.2 電力晶體管（GTR）

電力晶體管又稱為巨型晶體管，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，因而所需驅動功率較大，但其開關頻率要高于GTO，因而自20世紀80年代以來，主要應用于中小功率的變頻器或UPS電源等場合。目前其地位大多被絕緣柵雙極晶體管(IGBT)和功率場效應管（PowerMOSFET）所取代。

1.3 功率場效應管（PowerMOSFET）

功率場效應管是用柵極電壓來控制漏極電流的，屬于電壓控制型器件，因此，它的第一個顯著特點是驅動電路簡單，需要的驅動功率小；第二個顯著特點是開關速度快，工作頻率高。另外，Power MOSFET的熱穩(wěn)定性優(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10kW的場合。

1.4 絕緣柵雙極晶體管(IGBT)

IGBT是后起之秀，集MOSFET和GTR的優(yōu)點于一身，既具有MOSFET的輸入阻抗高、開關速度快的優(yōu)點，又具有GTR耐壓高、流過電流大的優(yōu)點，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達到3.3kV/1.2kA。柵極為電壓驅動，所需驅動功率小，開關損耗小、工作頻率高，不需緩沖電路，適用于較高頻率的場合。其主要缺點是高壓IGBT內阻大，通態(tài)電壓高，導致導通損耗大；在應用于高（中）壓領域時，通常須多個串聯(lián)。

1.5 集成門極換流晶閘管(IGCT)和對稱門極換流晶閘管(SGCT)

IGCT是在GTO的基礎上發(fā)展起來的新型復合器件，兼有MOSFET和GTO兩者的優(yōu)點，又克服了兩者的不足之處，是一種較為理想的MW級的高（中）壓開關器件。與MOSFET相比，IGCT通態(tài)電壓更低，承受電壓更高，通過電流更大；與GTO相比，通態(tài)電壓和開關損耗進一步降低，同時使觸發(fā)電流和通態(tài)時所需的門極電流大大減小，有效地提高了系統(tǒng)的開關速度。IGCT采用的低電感封裝技術使得其在感性負載下的開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，這樣就大大簡化了電壓型PWM整流器的結構，提高了裝置的可靠性。其改進形式之一稱為對稱門極換流晶閘管(SGCT)，兩者的特性相似，不同之處是SGCT可雙向控制電壓，主要應用于電流型PWM中。目前，兩者的制造水平已經達到6kV/6kA。

2 PWM整流器的主電路拓撲結構

PWM整流器根據(jù)主電路中開關器件的多少可以分為單開關型和多開關型；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。下面介紹幾種常見的三相PWM整流電路的拓撲結構并簡要分析它們的工作特性。

2.1 三相單開關PWM整流電路

三相單開關PWM整流器的主電路拓樸結構主要有如下幾種。

2.1.1 單開關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），這種電路結構簡單，在PWM整流電路中應用廣泛。

圖1 三相單開關Boost型

2.1.2 單開關Buck型（降壓型）

電路如圖2所示，與升壓型成對偶關系，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 三相單開關Buck型