整流電路是將交流電能轉(zhuǎn)換為直流電能的電路，廣泛應用于直流電動機的調(diào)速、發(fā)電機的勵磁調(diào)節(jié)、電解、電鍍等領域。傳統(tǒng)的整流電路普遍采用不可控二極管或相控晶閘管整流方式，直流側(cè)采用大電容濾波，導致輸入電流諧波含量大、功率因數(shù)低，造成了嚴重的電網(wǎng)污染和能源浪費。為了解決這個問題，高功率因數(shù)的單相全橋PWM(脈寬調(diào)制)整流電路應運而生。

一、PWM整流電路的基本結構

單相全橋PWM整流電路是一種高效能、高功率因數(shù)的電路設計，常用于電源轉(zhuǎn)換和能量管理。該電路主要由四個開關元件(如IGBT或MOSFET)、濾波電感Ls、濾波電容C等組成。這四個開關元件(V1、V2、V3、V4)在交流電源的正、負半周上輪流導通和截止，控制輸出電壓和電流的形狀和幅度。

二、PWM整流電路的工作原理

PWM，即脈寬調(diào)制，是一種通過改變開關信號占空比來調(diào)整平均輸出電壓的技術。在PWM整流電路中，這一技術被用來調(diào)節(jié)電流的相位和幅度，從而提高功率因數(shù)。功率因數(shù)是衡量負載消耗有功功率與視在功率之比，一個高的功率因數(shù)意味著電路能更有效地利用輸入電源，減少了無功功率的流動，提高了能源利用率。

單相全橋PWM整流電路的工作原理基于PWM控制。通過比較三角波和正弦信號，可以生成SPWM(Sine-Pulse Width Modulation)信號，這個信號驅(qū)動開關元件。SPWM信號含有與正弦信號同頻率的基波分量和高頻諧波，但低次諧波成分極少。濾波電感Ls的作用是過濾掉高頻諧波，使得流過負載的電流is變得平滑，近似為正弦波形。

具體地，在整流過程中，交流源的正弦電壓周期性地改變極性，正半周和負半周分別對應橋臂的不同導通方式。正半周時，上橋臂(V2、V4)導通，下橋臂(V1、V3)截止;負半周時，上橋臂截止，下橋臂導通。通過這種方式，可實現(xiàn)對輸入電壓的全波整流。

開關管導通過程中，電流從輸入電源流向開關管和輸出負載，而開關管截止時，電流則通過反向二極管回路流向輸出負載和濾波電容。開關管的導通和截止是通過PWM信號控制的，PWM信號由控制電路產(chǎn)生。PWM信號的主要功能是控制開關管的開通和斷開時間，以控制整流電路輸出電壓的大小。PWM信號有兩個控制參數(shù)：占空比和頻率。占空比是指開關管導通時間占整個周期的比例，而頻率則決定了PWM信號的周期。通過調(diào)整這兩個參數(shù)，可以實現(xiàn)整流電路輸出電壓的調(diào)節(jié)和穩(wěn)定。

三、高功率因數(shù)的實現(xiàn)

在單相全橋PWM整流電路中，通過精確控制開關元件的導通和截止，可以使得輸入電流接近正弦波，并與輸入電壓同相位，從而實現(xiàn)高功率因數(shù)。

PWM整流器的控制系統(tǒng)需要檢測的信號有輸入交流電壓us、輸出直流電壓ud以及輸入交流電流is。us是閉環(huán)控制中相位檢測的輸入信號。通過比較ud與給定參考電壓ud以及直流側(cè)紋波電壓補償u~d，來決定電壓外環(huán)PI調(diào)節(jié)器的輸出im。im與輸入電壓同步信號sinωt的乘積作為指定電流is。is與i*s的差值決定電流內(nèi)環(huán)PI調(diào)節(jié)器的輸出，最后比較電流內(nèi)環(huán)PI調(diào)節(jié)器的輸出與三角載波，產(chǎn)生PWM信號來控制開關管的關斷。這樣，電流PI調(diào)節(jié)器的輸出決定PWM信號的占空比，使實際輸入電流逼近指定電流值。

通過這種方式，電流PI調(diào)節(jié)器的輸出能夠精確控制開關元件的導通和截止時間，使得輸入電流波形接近正弦波，并與輸入電壓同相位，從而實現(xiàn)高功率因數(shù)。

四、濾波與保護

在整流過程中，由于交流電源和負載之間存在電感和電容等元件，電流和電壓的變化會引起電壓波形的畸變。為了得到平滑的直流輸出電壓，需要在整流電路的輸出端連接一個濾波電容。濾波電容通過將電流平滑化，使得輸出電壓呈現(xiàn)近似直流的特性。

此外，PWM整流電路還需要考慮電流的保護和控制。通常會加入過流保護電路來保護開關管和負載電路不受過電流的損壞。同時，還可以通過控制PWM信號來控制輸出電流的大小，實現(xiàn)對負載的精確控制。

五、結論

單相全橋PWM整流電路通過精確控制開關元件的導通和截止，利用PWM技術對交流電進行整流，實現(xiàn)了將交流電源轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的直流電。該電路具有結構簡單、功效高效、功率因數(shù)高等優(yōu)點，被廣泛應用于各種電源和電動機控制系統(tǒng)中。通過優(yōu)化PWM控制策略，可以進一步提高整流電路的功率因數(shù)和效率，減少諧波電流，實現(xiàn)綠色電能轉(zhuǎn)換的目標。