基于PWM高频斩波电路拓扑结构整流器的研究

潘少祠 姚岛 王微

摘要    本文主要根据谐波电流发射国家标准的要求，研究电子产品谐波电流中功率因数PF和总谐波失真THD改善策略，以应对谐波电流发射对电网的影响，通过研究高频斩波电路拓扑结构的整流器，建立电路模型对PF和THD进行分析，解决电子产品谐波电流不符合国家标准谐波电流限值的问题。

【关键词】斩波电路 功率因数 总谐波失真EMC

谐波电流发射是由于电子电气产品电路负载非线性引起的电流畸变灌入电网，特别是大功率电子电气设备工作时的谐波电流发射，严重的时候会对电网造成污染，引起其他电子设备，电气设备，机电设备的工作故障。因此国家标准GB17625.1和GB/Z17625.6对谐波电流有严格的限制。随着新能源汽车的越来越普及，充电设备越来越多，通常充电设备的功率相对比较大，谐波电流发射的问题不容忽视。

1 原理

1.1 谐波电流分析

谐波电流的产生主要是负载非线性引起的，主要有：半导体负载，如二极管，DCDC模块，引起电流畸变;感性负载，如大功率电机，可引起电流相位滞后;容性负载，可引起电流相位超前。谐波电流发射的限制具体可以通过分析各次谐波对应的限值判断是否满足标准要求，但是从电网电源的电压和电流分析，可以归结为功率因数PF和总谐波失真THD两方面，其中PF包含了电流失真和电流相位的信息，THD主要评价电流失真。

由傅里叶变换可知，电流畸变的发射输入电流其瞬时电流i（t）可以表示为：

公式

公式中n为电流谐波次数，其中n=1对应电流的基波分量。n次电流谐波的有效值

公式

功率因数定义为有功功率与视在功率之比

公式

在AC-DC变换电路中，输入电流由基波和各次谐波组成，其电流有效值

公式

因此要消除电流谐波需要从电流相位和电流畸变入手。

1.2 高频斩波电路拓扑

目前用于功率因数校正的高频斩波电路主要是BOOST电路，加入电感和电容来调节电流相位和波形，利用电感续流和电容储能以达到调整功率。同时BOOST电路可以把电压升高，电压升高虽然绝缘要求更高，但是更大的好处：利于提高效率，在相同功率下，电压高电流小，线材的线径小，再进行DC-DC变换时利于提高效率。见图1-4的电路拓扑结构及其演变，图1是单相整流器BOOST斩波电路，图2是单相倍压电路，图3是单相倍压电路高频斩波整流器，图4是三相高频斩波整流器，其中图4的电路拓扑结构也称为三相VIENNA等效电路，即三电平三开关BOOST整流器，也是目前三相PFC主流技术的其中一种。功率小于2.5kW的单相供电设备一般采用图1电路结构，可以满足GB17625.1标准要求。更大功率设备一般采用三相电供电，则可以采用图4电路结构以满足GB/Z17625.6标准要求。图1所示电路结构已经有很多成熟的方案可供采用，图4是在对谐波电流发射和功率因素要求更高的三相电设备中应用，是目前研究的主流结构之一。

2 控制电路模型及整流器仿真

2.1 控制电路模型

结合图4建立电路模型的控制环路模型如图5，控制环路运用了嵌入式数字和模拟电路相结合的方式，采用电压外环，电流内环的滞环控制方式。控制环路与电流的函数关系：f（i）=?v（t）*?i*sin（ωt），通过加入电流内环的电压控制模式，能够通过输出电压变化控制，保证输入电流的相位跟随输入电压相位，达到相位一致，电流内环的控制是平均电流控制模式能够保证电流的波形变化跟随电压波形变化，接近正弦波。

2.2 整流器仿真分析

仿真条件为三相交流输入380V50Hz，输出直流800V，输出功率10kW。图6显示的是单相整流器中电压电流波形，可以看出电流波形严重畸变，仿真结果PF不到0.5，THD高达180%。图7是加入频率为100kHz的PWM高频斩波电路，所示其中一相电流和电压相位基本一致，PF接近1，THD只有4.5%，图8所示为其中一相电流波形。

3 结论

通过研究高频斩波电路拓扑并且建立三电平三开关的三相VIENNA电路模型，根据电路结构和器件参数，进行了仿真分析，为进一步研究和设计大功率三相高频斩波整流器积累经验，由于采用了PWM斩波，在解决谐波电流发射问题中平衡EMI问题仍然需要进一步研究。

参考文献

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