高频整流电路的改进研究和仿真分析

胡丹丹，曾 成

（河北工业大学 信息工程学院，天津 300401）

随着电子电力技术的发展，模块化成为开关电源发展总体趋势。模块电源构成分布式电源系统，可提高电源供电的可靠性，便于电源的维护。高功率密度、高可靠性是模块电源的发展方向，低谐波、小型化是模块电源的国际趋势[1]。从当前模块电源的发展来看，谐波污染是模块电源需要解决的关键问题，降低模块电源中产生的谐波，是从根本上解决电源设备对电网传导干扰污染。为了提高模块电源的性能，必须在降低输入电网谐波的同时要有较高的电磁兼容性。

高频整流技术是近十几年来研究的热点，它不仅能使电流波形正弦化，而且由于其功率因数等于或接近于1（在0.99以上），模块并联时不会因相移不同的各模块电流叠加而导致总的电流谐波超标，是一种根本上解决电源设备对电网传导干扰污染的技术方案。本文所讨论的是高频整流技术在电源模块中的设计方法，使之能有效的降低电源模块输入时的谐波污染并能满足电源的电磁兼容性的要求。

1 电压型三相高频整流电路

近年来，SPWM技术不断发展，电压型三相SPWM整流电路可以作到谐波抑制和功率因数校正合二为一。本文分析了三相六开关SPWM整流电路的输入端电流的谐波，并对其进行了仿真研究。SPWM整流电路基本拓扑结构如图1所示，L1、L2、L3是交流侧输入滤波电感，C1为直流侧滤波电容。开关管为全控型开关IGBT，二极管为内部并联反馈二极管[2]。

图1 主电路拓扑结构Fig.1 Main circuit topological structure

电压型三相SPWM整流电路输入电流的谐波具有明显的分组特性，第一组谐波在载波频率附近，其后的每组谐波也是以载波频率的整数倍在载波两侧对称分布，并且迅速衰减为零。输入端的谐波电流傅里叶级数展开式为：

式中：ma为幅度调制比；ωc为载波角频率；n为载波的谐波次数；k为电源谐波次数。

三相SPWM整流电路可以主动对谐波进行抑制，但在后续的仿真实验中发现在输入电感量比较小的条件下，在输入电流波形中可以看到比较明显的纹波。

通过对被动型谐波抑制技术的的分析研究，并综合考虑了消磁电源柜的性能、体积、成本等各个方面[3]。本文提出了两种高频整流电路的改进方案，其电路结构简单，可靠性高，适用范围较广。

2 高频整流电路的改进

对图1所示电路进行仿真分析，以电源A相B相输入回路为例，a点b点之间的波形为SPWM波形，如图2所示，L1、L2为输入滤波电感，R1、R2为导线上的输入等效损耗电阻。由此可见，输入回路电流的基波大小由SPWM等效电源的基波幅度、相位以及输入电压的幅度、相位共同决定；而对于高次谐波来说，由于SPWM波形基本不变，各次谐波电流大小就完全由电感电容所构建的滤波电路决定，与基波电流的大小无关。

SPWM波形的开关频率为固定频率，通过仿真分析输入电流的频谱，输入电流的一次、二次开关频率谐波幅度较大。为了使高频整流电路能够达到电源柜的性能要求，针对整流电路高次开关频率谐波幅度较高及输入电流纹波及畸变较大的问题，对于主电路进行了改进。

目前常用的治理谐波的方法有：无源滤波、有源滤波或混合有源滤波。有源滤波器需要直流电源供电，可靠性不如无源滤波器高，在高频、大功率的场合不适用，并且体积大、成本高，因此本文着重研究了无源滤波对电路谐波的抑制作用[4]。改进的设计方法有以下2个。

2.1 并联谐振电路

为了降低输入电流谐波，针对整流电路的高次开关频率谐波幅度较大的问题，在电路的输入端加上了两个并联谐振电路，分别用于抑制一次开关谐波和二次开关谐波。SPWM波形的开关频率固定，因此可以设计两个固定参数的LC并联谐振电路，其等效电路图如图2所示。

图2 高频整流等效电路（并联谐振电路）Fig.2 High frequency rectifier equivalent circuit（parallel resonant circuit）

2.2 LC低通滤波器

输入电流的一次、二次开关频率谐波主要集中在高频，因此，可以在主电路的输入端使用低通滤波器，滤除输入电流的高次开关谐波。LC滤波器具有等效内阻小、功率输出大等优点，适用于电源大功率输出的场合，因此本文选择了在主回路中加入二阶LC低通滤波器，使其截止频率略低于整流电路一次开关频率[5-6]。

图3 高频整流等效电路（LC低通滤波器）Fig.3 High frequency rectifier equivalent circuit （LC low-pass filter）

3 高频整流电路的仿真结果及分析

为了对高频整流电路及其改进电路的性能进行比较，通过Multisim仿真软件对设计的电路进行仿真分析。在如图1所示的电路中，其中电网电压Us=380 V，交流侧滤波电感设置为L=1 mH，直流侧滤波电容C=220 μF，输出负载RL选择为满载时的40 Ω。通过对电路原理的分析和仿真实验，对于SPWM驱动控制方法，开关频率取为工频频率的3的整数倍，SPWM波形的对称性最好，因此，选取9 kHz为SPWM波形的开关频率。

图4 A相输入电压电流波形Fig.4 A phase input voltage and current waveform

图5 A相输入电流频谱Fig.5 A phase input current spectrum

根据等效电路图2和3所示，分别仿真测试了高频整流电路，加入并联谐振电路的高频整流电路，加入LC低通滤波器的高频整流电路这3种情况。加入LC滤波电路时，影响了后级输出电容的滤波特性。为了满足输出纹波比的要求，将滤波电容从220 μF提高到600 μF。输入电压电流波形分别如图4所示，图4（a）未改进的高频整流电路输入电压电流波形，图4（b）为加入并联谐振电路的高频整流电路输入电压电流波形，图4（c）为加入LC低通滤波电路的高频整流电路输入电压电流波形。波形较低的为输入电流波形，从图中可以明显看出，在加入了并联谐振电路或LC低通滤波器后，输入电流的纹波和畸变得到了明显改善。

输入电流频谱如图5所示，图5（a）为未改进的高频整流电路输入电流频谱，图5（b）为加入并联谐振电路的高频整流电路输入电流频谱，图5（c）为加入LC低通滤波电路的高频整流电路输入电流频谱。图5（a）中电路的一次开关频率的幅度与基波幅度的比值：4.182/61.258=6.82%，单次谐波幅度较大，输入电流的纹波就是由谐波导致；在加入了并联谐振电路后，其电流频谱如图5（b）所示，一次二次开关频率谐波已降低到3%以下；在电路输入端加入LC低通滤波器后，电流频谱如图5（c）所示，其开关频率谐波的幅度也降低到了3%以下。3次仿真输入电流的THD分别为：9.7%、3.2%、3.4%；输出电压纹波比分别为：1.5%、0.67%、1.9%。从仿真结果可以看出，改进的SPWM整流电路的输入电流谐波及输出电压纹波都得到了明显的改善达到了国际、国内要求的标准。

4 高频整流电路电磁兼容性的仿真结果及分析

模块电源的交流输入电压通常会存在着其他小幅度的注入信号。当输入的三相电压夹杂着注入信号时，要把其对高频整流电路的影响降低到最小。为了测试改进的高频整流电路的电磁兼容性，在三相电的A相分别加入了频率不同的几组信号，其仿真测试结果如表1和表2所示。

表1 仿真结果（并联谐振电路）Tab.1 Simulated results（parallel resonant circuit）

从仿真结果可以看出：加入并联谐振电路时，注入信号对输入电流THD和输出电压纹波影响较大；注入信号频率为3.7 kHz时，输入电流THD显著增大，该频率位于串联谐振频率附近，输入电流THD几乎完全由3.7 kHz谐波电流决定。加入LC低通滤波电路时，注入信号对输入电流THD和输出电压纹波影响较小，在注入信号频率较高时对注入信号对输入电流THD和输出电压纹波影响可以忽略。

表2 仿真结果（LC低通滤波器）Tab.2 Simulated results（LC Low-pass filter）

5 结束语

为了实现高频、大功率电源模块输入电流低谐波的要求，本文采用了主动型和被动型相结合的方式来抑制谐波。在考虑电路的体积和成本的基础上，分别在高频整流电路的输入端加入了并联谐振电路和LC低通滤波电路。加入并联谐振电路时，可以较好地抑制输入电流谐波，但电磁兼容性略差；加入LC低通滤波器时，电磁兼容性较好，但在抑制输入电流谐波方面，性能略低于在高频整流电流输入端加入并联谐振的电路。仿真结果验证了高频整流改进方案的可行性，使模块电源的输入电流谐波得到了有效地抑制。

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