單相功率倍壓整流電路的建模與仿真

張文昌，劉海鵬，孫曉鈺

（1.浪潮電子信息產(chǎn)業(yè)股份有限公司，山東 濟南 250101；2.軍委裝備發(fā)展部軍事代表局駐天津地區(qū)軍代室，天津 300000；3.山東濟南發(fā)電設(shè)備廠有限公司，山東 濟南 250000）

0 引 言

在電力電子變換電路中，不可控制整流獲得了廣泛應(yīng)用。倍壓整流電路是不可控整流電路的一種，由二極管和電容器串并聯(lián)組成。利用耐壓較低的二極管和電容，可以將電壓幅值較低的交流整流成高壓直流。倍壓整流電路多應(yīng)用于輸出電流很小的高壓直流裝置[1-4]，但也有用于功率系統(tǒng)的先例。文獻[5]介紹了一種三相倍壓整流系統(tǒng)，輸出電壓為±500 V，功率達20 kW。本文結(jié)合工程實際，介紹功率單相倍壓整流電流的原理和MALAB建模，并分析電容參數(shù)對電路性能的影響。

1 系統(tǒng)組成

根據(jù)實際工況，需要一套獨立可調(diào)電源系統(tǒng)，組成如圖1所示。

圖1 獨立可調(diào)電源原理框圖

2 倍壓整流電路及工作原理

常用的二倍壓整流電路有兩種：一種是橋式整流電路，另一種是梯形倍壓整流電路。其中，橋式整流電路如圖2所示。當(dāng)電源為正半周時，電位為上高下低，二極管D1截止、D2導(dǎo)通，電源通過D2對電容C2充電，充至峰值電壓當(dāng)電源為負半周時，電位為下高上低，二極管D1導(dǎo)通、D2截止，電源通過D1對電容C1充電，充至峰值電壓，負載輸出電壓為電容C1和C2上的電壓之和。當(dāng)負載很輕時，輸出電壓負載加大時，輸出電壓會出現(xiàn)波動，平均值也減小，具體情況與電容C1和C2及負載電阻RL相關(guān)。

圖2 橋式倍壓整流電路

梯形倍壓整流電路，如圖3所示。當(dāng)電源電壓為負半周時，電位下高上低，二極管D1導(dǎo)通、D2截止，電源通過D1向C1充電，充至峰值電壓電源電壓為正半周時，電位上高下低，二極管D1截止、D2導(dǎo)通，電源電壓與電容C1上的電壓串聯(lián)后通過D2向C2充電，充至峰值電壓當(dāng)負載很輕時，輸出電壓

圖3 梯形倍壓整流電路

3 仿真研究

3.1 橋式倍壓整流電路的仿真

在MATLAB環(huán)境中建立圖1對應(yīng)的仿真模型，如圖4所示。電路參數(shù)：電源電壓U=225 V，頻率f=50 Hz，電源內(nèi)阻R1=0.4 Ω，電源電感L1=5 mH，基準電容 C1=C2=2 200 μF。

圖4 橋式倍壓整流電流的仿真模型

負載電阻RL=3 000 Ω（近似空載）時，仿真得到的輸出電壓波形如圖5所示，穩(wěn)態(tài)電壓為UL=604.3 V。不計二極管壓降時，空載輸出電壓的理論值為636.4 V。

圖5 空載輸出電壓

負載電阻RL=30 Ω（額定空載）時，仿真得到的輸出電壓、電容電壓的波形分別如圖6、圖7所示。輸出電壓和電流的平均值分別為UL=454.4 V和IL=15.15 A，輸出功率為6 884 W，輸出電壓紋波的峰-峰值ΔU=51 V。

保持其他參數(shù)不變，僅改變電容值，橋式倍壓整流電路的仿真結(jié)果見表1?？梢钥闯?，隨著電容的增大，輸出電壓略有降低，電壓紋波明顯減小，沖擊電壓減小，進入穩(wěn)態(tài)的時間變短。綜合考慮，可選取C1=C2=3 300 μF。

圖6 滿載輸出電壓

圖7 滿載時的電容電壓

3.2 梯形倍壓整流電路的仿真

電源和負載參數(shù)保持不變，不同電容值組合時的仿真結(jié)果見表2?？梢钥闯?，電容C2主要影響輸出電壓紋波的大小，電容增加，電壓紋波減??；電容C1主要影響輸出電壓，電容增加，輸出電壓降低。綜合考慮，可選取 C1=1 100 μF，C2=4 400 μF。

表1 不同電容值橋式倍壓整流電路的仿真結(jié)果

4 結(jié) 論

通過解析計算和仿真分析，可以得到以下結(jié)論：

（1）倍壓整流電路可以應(yīng)用于輸出功率較大的功率電路場合；

（2）在橋式倍壓整流電路中，隨著電容值的增加，輸出電壓紋波降低，可以根據(jù)應(yīng)用中對電壓紋波的要求，選取合適的電容值；

（3）在梯形倍壓整流電路中，輸出電壓的紋波主要受電容C2的影響，電容增大，輸出電壓紋波減小；電容C1主要影響輸出電壓，電容值增大，輸出電壓降低；通過仿真可以得到滿足要求的C1、C2組合；

（4）橋式倍壓整流電路與梯形倍壓整流電路相比，可以獲得更小的輸出電壓紋波，但輸出電壓的平均值也略低。

表2 不同電容值時梯形倍壓整流電路的仿真結(jié)果