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

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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的先例。文獻[5]介紹了一種三相倍壓整流系統，輸出電壓為±500 V，功率達20 kW。本文結合工程實際，介紹功率單相倍壓整流電流的原理和MALAB建模，并分析電容參數對電路性能的影響。

1 系統組成

根據實際工況，需要一套獨立可調電源系統，組成如圖1所示。

圖1 獨立可調電源原理框圖

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。當電源為正半周時，電位為上高下低，二極管D1截止、D2導通，電源通過D2對電容C2充電，充至峰值電壓當電源為負半周時，電位為下高上低，二極管D1導通、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。當負載很輕時，輸出電壓負載加大時，輸出電壓會出現波動，平均值也減小，具體情況與電容C1和C2及負載電阻RL相關。

圖2 橋式倍壓整流電路

梯形倍壓整流電路，如圖3所示。當電源電壓為負半周時，電位下高上低，二極管D1導通、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導通，電源電壓與電容C1上的電壓串聯后通過D2向C2充電，充至峰值電壓當負載很輕時，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環境中建立圖1對應的仿真模型，如圖4所示。電路參數：電源電壓U=225 V，頻率f=50 Hz，電源內阻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，穩態電壓為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。

保持其他參數不變，僅改變電容值，橋式倍壓整流電路的仿真結果見表1。可以看出，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，進入穩態的時間變短。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

電源和負載參數保持不變，不同電容值組合時的仿真結果見表2。可以看出，電容C2主要影響輸出電壓紋波的大小，電容增加，電壓紋波減小；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果

4 結 論

通過解析計算和仿真分析，可以得到以下結論：

（1）倍壓整流電路可以應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，可以根據應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果