高功率因數(shù)的單相全橋PWM(脈寬調(diào)制)整流電路應(yīng)運(yùn)而生

整流電路是將交流電能轉(zhuǎn)換為直流電能的電路，廣泛應(yīng)用于直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速、發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁調(diào)節(jié)、電解、電鍍等領(lǐng)域。傳統(tǒng)的整流電路普遍采用不可控二極管或相控晶閘管整流方式，直流側(cè)采用大電容濾波，導(dǎo)致輸入電流諧波含量大、功率因數(shù)低，造成了嚴(yán)重的電網(wǎng)污染和能源浪費(fèi)。為了解決這個(gè)問題，高功率因數(shù)的單相全橋PWM(脈寬調(diào)制)整流電路應(yīng)運(yùn)而生。

一、PWM整流電路的基本結(jié)構(gòu)

單相全橋PWM整流電路是一種高效能、高功率因數(shù)的電路設(shè)計(jì)，常用于電源轉(zhuǎn)換和能量管理。該電路主要由四個(gè)開關(guān)元件(如IGBT或MOSFET)、濾波電感Ls、濾波電容C等組成。這四個(gè)開關(guān)元件(V1、V2、V3、V4)在交流電源的正、負(fù)半周上輪流導(dǎo)通和截止，控制輸出電壓和電流的形狀和幅度。

二、PWM整流電路的工作原理

PWM，即脈寬調(diào)制，是一種通過改變開關(guān)信號(hào)占空比來調(diào)整平均輸出電壓的技術(shù)。在PWM整流電路中，這一技術(shù)被用來調(diào)節(jié)電流的相位和幅度，從而提高功率因數(shù)。功率因數(shù)是衡量負(fù)載消耗有功功率與視在功率之比，一個(gè)高的功率因數(shù)意味著電路能更有效地利用輸入電源，減少了無功功率的流動(dòng)，提高了能源利用率。

單相全橋PWM整流電路的工作原理基于PWM控制。通過比較三角波和正弦信號(hào)，可以生成SPWM(Sine-Pulse Width Modulation)信號(hào)，這個(gè)信號(hào)驅(qū)動(dòng)開關(guān)元件。SPWM信號(hào)含有與正弦信號(hào)同頻率的基波分量和高頻諧波，但低次諧波成分極少。濾波電感Ls的作用是過濾掉高頻諧波，使得流過負(fù)載的電流is變得平滑，近似為正弦波形。

具體地，在整流過程中，交流源的正弦電壓周期性地改變極性，正半周和負(fù)半周分別對(duì)應(yīng)橋臂的不同導(dǎo)通方式。正半周時(shí)，上橋臂(V2、V4)導(dǎo)通，下橋臂(V1、V3)截止;負(fù)半周時(shí)，上橋臂截止，下橋臂導(dǎo)通。通過這種方式，可實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入電壓的全波整流。

開關(guān)管導(dǎo)通過程中，電流從輸入電源流向開關(guān)管和輸出負(fù)載，而開關(guān)管截止時(shí)，電流則通過反向二極管回路流向輸出負(fù)載和濾波電容。開關(guān)管的導(dǎo)通和截止是通過PWM信號(hào)控制的，PWM信號(hào)由控制電路產(chǎn)生。PWM信號(hào)的主要功能是控制開關(guān)管的開通和斷開時(shí)間，以控制整流電路輸出電壓的大小。PWM信號(hào)有兩個(gè)控制參數(shù)：占空比和頻率。占空比是指開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間占整個(gè)周期的比例，而頻率則決定了PWM信號(hào)的周期。通過調(diào)整這兩個(gè)參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)整流電路輸出電壓的調(diào)節(jié)和穩(wěn)定。

三、高功率因數(shù)的實(shí)現(xiàn)

在單相全橋PWM整流電路中，通過精確控制開關(guān)元件的導(dǎo)通和截止，可以使得輸入電流接近正弦波，并與輸入電壓同相位，從而實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)。

PWM整流器的控制系統(tǒng)需要檢測(cè)的信號(hào)有輸入交流電壓us、輸出直流電壓ud以及輸入交流電流is。us是閉環(huán)控制中相位檢測(cè)的輸入信號(hào)。通過比較ud與給定參考電壓ud以及直流側(cè)紋波電壓補(bǔ)償u~d，來決定電壓外環(huán)PI調(diào)節(jié)器的輸出im。im與輸入電壓同步信號(hào)sinωt的乘積作為指定電流is。is與i*s的差值決定電流內(nèi)環(huán)PI調(diào)節(jié)器的輸出，最后比較電流內(nèi)環(huán)PI調(diào)節(jié)器的輸出與三角載波，產(chǎn)生PWM信號(hào)來控制開關(guān)管的關(guān)斷。這樣，電流PI調(diào)節(jié)器的輸出決定PWM信號(hào)的占空比，使實(shí)際輸入電流逼近指定電流值。

通過這種方式，電流PI調(diào)節(jié)器的輸出能夠精確控制開關(guān)元件的導(dǎo)通和截止時(shí)間，使得輸入電流波形接近正弦波，并與輸入電壓同相位，從而實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)。

四、濾波與保護(hù)

在整流過程中，由于交流電源和負(fù)載之間存在電感和電容等元件，電流和電壓的變化會(huì)引起電壓波形的畸變。為了得到平滑的直流輸出電壓，需要在整流電路的輸出端連接一個(gè)濾波電容。濾波電容通過將電流平滑化，使得輸出電壓呈現(xiàn)近似直流的特性。

此外，PWM整流電路還需要考慮電流的保護(hù)和控制。通常會(huì)加入過流保護(hù)電路來保護(hù)開關(guān)管和負(fù)載電路不受過電流的損壞。同時(shí)，還可以通過控制PWM信號(hào)來控制輸出電流的大小，實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載的精確控制。

五、結(jié)論

單相全橋PWM整流電路通過精確控制開關(guān)元件的導(dǎo)通和截止，利用PWM技術(shù)對(duì)交流電進(jìn)行整流，實(shí)現(xiàn)了將交流電源轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的直流電。該電路具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功效高效、功率因數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各種電源和電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中。通過優(yōu)化PWM控制策略，可以進(jìn)一步提高整流電路的功率因數(shù)和效率，減少諧波電流，實(shí)現(xiàn)綠色電能轉(zhuǎn)換的目標(biāo)。