杨亚萍，王 成，雷新颖

（西安航空学院 陕西 西安 710077）

电压型PWM整流电路研究与控制实现

杨亚萍，王 成，雷新颖

（西安航空学院 陕西 西安 710077）

针对传统相控整流方式中，电网注入大量谐波及无功功率，易造成电源污染的不利影响。采用全控型开关器件，并将PWM控制技术引入整流电路，通过滞环电流控制方式，在稳定直流电压输出的同时，使交流侧电源电流波形近似正弦波，实现电能的双向传输。结合电压型PWM整流电路的控制方法，以STM32F103RBT6微处理器为核心搭建实验电路，实现PWM整流电流正弦化并可四象限运行，实现电能双向传输。

PWM整流；滞环电流控制；四象限运行；STM32F103RBT6

随着电力电子技术的发展，全控型器件得到更加广泛的应用，由于此类器件易实现脉冲宽度调制，若PWM整流电路采用全控式器件实现，其体积更小，功率因数更高。且由于开关频率较高，电流容易连续，谐波少，快速响应性能好，动态抗干扰能力强。

1 PWM整流电路概述

PWM整流电路由4只全控型器件IGBT组成，其栅极按照脉冲宽度调制原理控制导通与关断。在此控制方式下工作，PWM整流电路可使网侧电流正弦化，并工作于单位功率因数。为提高控制系统电流跟踪精度，减小电流偏差，PWM整流器使用滞环电流控制方式。PWM整流电路分为电压型和电流型两类，电压型PWM整流电路直流侧采用电容进行直流储能，使电压型PWM整流电路直流侧呈现低阻抗的电压源特性。电流型PWM整流电路直流侧采用电感进行直流储能，使电流型PWM整流电路直流侧呈现高阻抗的电流源特性[1]。文中讨论电压型PWM整流电路。

2 PWM整流电路结构及工作原理

PWM整流电路结构为全桥形式，如图1所示[2]。

图1 PWM整流电路结构图

从图1可以看出：PWM整流电路由交流回路、四支IGBT组成的功率开关桥式电路、直流回路组成。其中交流回路由交流电源uS及网侧电感LS组成，直流回路由负载电阻Rd及电解电容C组成。当忽略功率桥路损耗时，交流、直流侧功率平衡关系得：uS×iS=ud×id

式中：uS，iS——PWM整流电路交流侧电压、电流；

ud，id——PWM整流电路直流侧电压、电流。

从上式可知：通过PWM整流电路交流侧电压、电流的控制，就可控制直流侧电压、电流。以下从PWM整流电路交流侧来分析PWM整流电路的运行状态和控制原理。

稳态条件下，PWM整流电路交流侧电压、电流矢量关系如图2所示。

图2 PWM整流电路交流侧稳态相量关系图

U˙S：交流电网侧电压相量；U˙AB：交流侧电压相量；

U˙L：交流侧电感电压相量；I˙S：交流侧电流相量。

从2图分析得：当交流电网侧电压相量为参考时，通过控制交流侧电压相量即可实现PWM整流电路的四象限运行。若假设交流侧电流相量I˙S不变，因此U˙L=ωLI˙S也固定不变，在此情况下，PWM整流电路交流侧电压相量U˙AB端点运动轨迹构成了一个以U˙L为半径的圆。

当交流侧电压相量U˙AB端点位于圆轨迹A点时，交流侧电流相量I˙S比交流电网侧电压相量U˙S滞后90°，此时PWM整流电路电网侧呈纯电感特性，如图2（a）所示。

当交流侧电压相量U˙AB端点位于圆轨迹B点时，交流侧电流相量I˙S与交流电网侧电压相量U˙S平行且同向，此时PWM整流电路电网侧呈正电阻特性，如图2（b）所示。

当交流侧电压相量U˙AB端点位于圆轨迹C点时，交流侧电流相量I˙S比交流电网侧电压相量U˙S超前90°，此时PWM整流电路电网侧呈纯电容特性，如图2（c）所示。

当交流侧电压相量U˙AB端点位于圆轨迹D点时，交流侧电流相量I˙S与交流电网侧电压相量U˙S平行且反向，此时PWM整流电路电网侧呈负电阻特性，如图2（d）所示[3]。

由此可知，要实现PWM整流电路的四象限运行，关键在于电网侧电流相量I˙S的控制。即通过电网侧电流的闭环控制直接控制PWM整流电路的网侧电流。

3 PWM整流电路系统设计

PWM整流电路采用滞环控制方式。滞环控制是一种基于边带规则的控制方法，对于边带宽度ΔI，依据被控量与参考量的关系，按照一定的控制规律，使被控量与参考量之差始终处于边带宽度内。对于滞环电流控制，当电流偏差超过滞环宽度ΔI时，驱动主电路功率开关管切换，迫使电流偏差减小，最终使得采样电流和给定电流的差限定在一定范围内，达到准确控制电流的目的，是一种典型的非线性控制系统[4]。研究表明，滞环电流控制方式具有较好的稳定性和快速性。

PWM整流电路由单片机电路，电流采样电路，驱动电路，零点检测电路组成，框图如图3所示。

单片机STM32F103RTB6是基于ARM内核的32位处理器产品，内置128 kB的Flash，20 kB的RAM，12位AD，4个16位定时器和3路USART通讯口的多种资源，时钟频率最高达72 MHz[5]。

图3 PWM整流电路结构框图

电流采样电路核心器件为CSM001A型霍尔电流传感器，是应用霍尔效应闭环原理的电流传感器，能在电隔离条件下测量直流、交流、脉冲及各种不规则波形的电流。接线图如图4所示，传感器左端为电流输入端，通电后，当被测电流从传感器箭头方向流过，即可在输出端测的同相电流值。为保证输入端与测量端相互隔离，传感器供电应采用电源模块单独供电。

图4 霍尔传感器外部接线图

驱动电路采用带过流保护的IGBT驱动光耦 HCPL-316J，其输出高达2 A。可驱动IGBT最高为150 A/1 200 V级。芯片为16脚贴片封装，CMOS/TTL兼容，500 ns开关速度，内部光学隔离，带故障反馈输出，采用软关断技术，集成过流，欠压保护，是一款简单易用的智能型IGBT驱动光耦。驱动电路如图5所示。

直流电压采样通过对直流侧电解电容两端电压进行采样，采样后电压送入单片机PC1对应的第9引脚，该通道设置为注入通道。

STM32单片机采用ARM先进的Cortex-M3内核，具有出色的控制功能和强大的外设，ST提供了完整、高效的开发工具和库函数，使程序开发更加方便。本软件编程主要采用了C语言编程的方法，C语言编程方便快捷、可读性好，便于今后改进中进行修改。

系统主程序中，首先要进行单片机初始化，初始化主要包括系统时钟的设置、定时器的设置、中断系统的设置、模/数转换器的设置等。主程序流程图如图6所示。

系统初始化后，程序运行过程中需要对采集到的电流信号进行数据处理，电压过零的处理、并根据采集到的数据进行滞环电流的控制。在数据处理时，为消除随机误差造成的影响，采用数字滤波的方式进行平均值滤波。滞环电流控制中，当采样电流与设定电流之差大于滞环宽度的一半，驱动相应开关管切换以减小电流误差；当采样电流与设定电流之差在滞环宽度的一半范围内，原驱动状态维持不变。因此，最终控制电流为围绕设定电流且限定在滞环环宽内的包络线。当电网电压经过上升过零点时，执行外部中断的服务子程序，服务子程序中设置IGBT交流侧等效电压的相位。这样在每个周期都进行相位的调整，实现输出电流与电网电压的同步。中断子程序如图7所示。

图5 PWM整流电路驱动电路

图6 主程序流程图

图7 中断子程序流程图

4 实验结果分析

设计了以STM32F103RTB6为控制核心的滞环控制电压型PWM整流电路实验系统，电路参数输入交流电压220 V，经变压器后变为12 V交流，频率为50 Hz，直流侧电压设定为30 V，滤波电感取为2 mH[6]，滤波电容为2 000 μF。

在相同工况条件下，通过程序设定，模拟四象限运行，测得电网电压和输出电流的波形如图8所示。

图8 PWM整流电路电压电流波形

如图8（a）中所示为电网电压与输出电流波形，两者频率相同、相位一致，波形跟踪良好，电流波形呈滞环规律变化。图8（b）中，使电网电压与输出同相，为模拟纯阻性负载特性时时的情况；图8（c）中，电网电压超前于输出电流45度，为模拟阻感性负载特性时的情况，图8（d）中，电网电压滞后于输出电流45度，为模拟阻容性负载时的情况。由图可看出，模拟阻感或阻容性负载时，输出电流与电网电压频率一致，且波形保持纯正弦，电流波形呈滞环规律变化，较好的实现了PWM整流电路的四象限运行状态。

5 结论

PWM整流电路通过滞环电流控制，实现了网侧电流正弦化且运行于单位功率因数，甚至能量可双向传输，真正实现了“绿色电能变换”。因此，在新型UPS以及太阳能、风能等可再生能源的并网发电等方面，PWM整流电路将有更为广泛和更为重要的应用。

[1]张兴，张宗巍.PWM整流器及其控制[M].北京：机械工业出版社，2012.

[2]霍姆斯，利波.电力电子变换器PWM技术原理与实践[M].周克亮，译.北京：人民邮电出版社，2010.

[3]王雷.能量回馈型交流电子负载变换器研究 [D].南京：南京航空航天大学，2008.

[4]Gatlan C，Gatlan L.AC to DC PWM voltage source converter under hysteresis current control[J].International Symposium on Industrial Electronics，IEEE，1997:469-473.

[5]王永红，徐炜，郝立平.STM32系列 ARM Cortex—M3微控制器原理与实践[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.

[6]徐金榜，何顶新，赵金，等.一种新的PWM整流器电感上限值设计方法[J].华中科技大学学报：自然科学版，2006 34（4）：33-35.

Research and control voltage type PWM rectifier circuit implementation

YANG Ya-ping，WANG Cheng，LEI Xin-ying
（Xi’an Areonautical University，Xi’an 710077，China）

In view of the traditional phase controlled rectifier，the power grid is injected into a large number of harmonics and reactive power，which can easily lead to the adverse effects of the power supply.The PWM control technology is used in the control circuit，and the hysteresis current control mode is used to stabilize the DC voltage output.With the control method of voltage type PWM rectifier circuit，the experimental circuit is built with STM32F103RBT6 microprocessor as the core，and the PWM rectifier current is sinusoidal and can run in four quadrant，Realization of electric energy bidirectional transmission.

PWM rectifier；hysteresis current control；four quadrant operation；STM32F103RBT6

TN353

A

1674－6236（2016）15-0154-03

2015-08-04 稿件编号：201508018

陕西省教育厅2014年科学研究计划（14JK1364）

杨亚萍（1972—），女 ，陕西岐山人，硕士，副教授。研究方向：电力电子。