脉宽调制整流电路简介

摘要：脉宽调制整流技术具有非常广阔的应用前景。从功率器件，主电路拓朴和控制方法三个方面对其进行了详细的介绍，并对其未来发展进行了预测。

关键词：脉宽调制整流器；功率器件；电路拓扑；控制方法

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