一种新型单相脉冲整流器的MATLAB仿真研究

摘要：给出了一种新型的脉冲整流器，详细地介绍了其工作原理和控制方案，并对该整流器及其控制系统建立了MATLAB仿真模型，仿真结果验证了该方案的优越性。

关键词：脉冲整流器；升压斩波器；功率因数校正

图1主电路拓扑图

1前言

随着电力电子装置日益广泛的应用，谐波对电网的污染也日益严重。另外，许多电力电子装置的功率因数很低，也给电网带来了额外负担并影响供电质量。因此，各种功率因数校正技术得到了迅速发展。其中，四象限变流器技术是中、大容量的单位功率因数变流器采用的主要技术。它是把在逆变电路中使用的PWM技术移植到整流电路中而形成的。其基本原理是，检测交流侧的电压波形和电流波形，通过控制功率开关管的通断状态，使输入电流接近正弦波，并且使交流输入侧电流和电压同相位，实现功率因数接近于1的目标。

本文所提出的脉冲整流器电路与传统的四象限变流器稍有不同，它适用于无需能量反馈的场合,可用于交流侧功率因数校正。文中采用了一种新型的控制方法，并用MATLAB进行了系统仿真。

2主电路拓扑

如图1所示，该单相整流器每个桥臂的上功率开关采用了不可控器件，降低了成本和控制的复杂性，简化了控制脉冲产生电路，提高了系统的可靠性。

在电源电压正半波，通过控制开关管S1的导通与关断，使电感电流跟踪电源电压。由于半导体器件的特性，即使同时给S1、S2发控制脉冲，在电源电压正半波，S2也不会导通。当S1开通时，电源给电感充电,电感电流经S1、D2方向流动，电感储能,电感电流上升；S1关断时，电感电流经D1、D2方向流动，电感与电源同时向负载供电,电感释放能量,电感电流下降。只要及时控制S1的开通与关断，就能使电感电流即电源电流跟踪电源电压的变化。在电源电压的负半周，与上面的分析相同，只要控制S2的导通与关断，就能达到相同的效果。这样就能够使输入电流跟踪输入电压，从而使功率因数接近于1。

图3系统的MATLAB仿真模型

图2平均电流模式控制原理框图

图4PWM子系统结构图

从上面的分析可知，该主电路拓扑结构实质上相当于设计了两套Boost升压斩波电路，只是在输入交流电压的正负半周通过对应的Boost电路工作，来实现功率因数校正的目的。

3控制电路原理及建模

如上所述，该电路本质上为Boost电路，因此可以采用Boost电路的控制模式。常用的控制模式包括电压控制方式，峰值电流控制方式，平均电流控制方式等。平均电流控制方式[2]，[4]具有开关频率固定，无需谐波补偿等优点，因此应用最为广泛。通过这种控制方式，不仅能够使交流侧功率因数接近于1，而且能保证直流侧输出电压稳定。基于此，本文也采用这一控制方式。其具体控制原理简述如下：输出电压经电压误差放大器放大后，与输入电压的采样值在乘法器相乘后送到电流运算放大器作为基准电流。电压环的作用是使输出电压稳定，从输入电压采样的目的是使基准电流与输入电压的波形同相位。从电感电路获得电感电流采样，送到电流误差放大器的负端。电流误差放大器的输出直接加在PWM比较器的正端，比较器的负端接锯齿波发生器的输出。这样，电流误差放大器的输出直接控制了PWM调制器的占空比，强迫实际电感电流逼近电感电流的平均值。其控制框图如图2所示。

4系统的MATLAB仿真研究

本文采用MATLAB来完成系统工作原理的仿真和分析。所建立的MATLAB仿真原理如图3所示。

图3的有关说明如下：

1）为避免在仿真中形成代数环，造成逐步迭代，从而降低求解速度，增加仿真时间，故在电路中使用了记忆模块，以切断代数电路。

2）在控制电路中使用了传递函数模块来构成PI调节器，并在电流电压采样中使用了滤波器模块。这些模块的运用简化了仿真电路的实现。

3）图中的PWM子系统是运用SIMULINK中的基本模块构造的。具体结构如图4所示。

5仿真波形及结果分析

电路有关参数：单相交流输入340V；直流输出600V；开关频率2kHz；交流侧电感2mH。图5，图6，图7分别显示的是输出电压波形，输入交流电压与电流波形，开关脉冲信号波形。

从图5可以看到输出电压经过启动过程后基本稳定在600V左右。从图6（b）可以看到输入侧电流近似为一与输入电压同相位的正弦波。

6结语

本文提出了一种新型的脉冲整流器实现方案，分析了其工作原理，采用了一种新的控制方案，并给出了采用MATLAB建立的仿真模型和仿真分析结果。通过仿真验证了该方案是实现中、大功率因数校正的一种较好的方法。
图7开关信号

图5输出电压波形