一、单相整流器的设计参数（参考2022年省赛）

• 输入电压：30V AC 有效值
• 输入电流：2A AC 有效值
• 输出电压：50-60V DC
• 输出电流：0-2A DC
• 功率等级：<60W
• 开关频率： 20kHz

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二、硬件设计

2.1 单相整流器的硬件参数

图1为单相整流器的拓扑图，包括交流电源Uac、直流电容器C、功率开关管T1~T4、电感LN、负载电阻RL。此外，为实现闭环控制，还应包括功率器件驱动电路、交流采样电路、直流采样电路、辅助电源等硬件模块。

表1为给定参数下单相整流器的硬件选型与设计。整流器的功率电路结构与逆变器一致。逆变器的工作方式为直流输入、交流输出；而整流器则是交流输入、直流输出。关于单相整流器的详细技术设计，可参考以下内容：手把手教你打电赛—单相逆变器硬件设计_单相并网逆变器参数设计-CSDN博客

图1 单相整流器的拓扑图

表1 单相整流器的硬件参数

类别	型号	备注
直流侧电容	100V/220uF*2	电解电容
滤波电感	1.5mH*2	额定电流5A
功率开关管	IRF540N	100V/33A
驱动电路	关键芯片UCC21520	详细见驱动设计
主控板	关键芯片STM32F407	详细见主控板设计
采样电路	电压互感器TS31140CI、电流互感器TS21141	详细见采样板设计

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2.2 单相整流器的硬件设计（所有模块可在tb电赛海盗船购买）

整流器的功率电路与逆变器的功率电路一致，逆变器为直流输入交流输出，整流器为交流输入直流输出。单相整流器的详细技术设计参考：

图2 单相整流器（单相逆变器）实物图

功率开关管选型与驱动电路的详细技术设计参考：电赛电源速成--功率开关管选型与驱动电路设计-CSDN博客

图3 驱动电路实物图

主控芯片选型与主控板的详细技术设计参考：电赛电源速成—主控芯片选型与主控板设计_电赛电源题要用ti的芯片吗-CSDN博客

图4 主控板实物图

直流采样与交流采样电路的详细技术设计参考：电赛电源速成—直流采样与交流采样的设计_电赛电源类采样电路-CSDN博客

   

图5 直流采样与交流采样电路实物图

辅助电源的详细技术设计参考：手把手教你打电赛—辅助电源设计_电赛15届a题辅助电源-CSDN博客

图6 辅助电源实物图

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三、软件控制设计

图7展示了单相PWM整流器的典型双闭环控制框图，其控制目标是稳定直流母线电压并实现单位功率因数控制。

系统由电压外环与电流内环组成，外环通过将直流电压Ud与参考值Uref比较，经PI控制器调节输出直流电流参考值Iref。该参考值与由锁相环（PLL）从交流电压Uac提取的相位信息生成的正弦信号相乘，得到交流电流参考波形。该参考波形再与实际电流Iac比较，误差信号经由PI或PR控制器处理后送入PWM模块生成驱动信号，进而控制功率器件，实现对整流器的精确调节。

整体结构通过外环设定电流幅值、内环实现正弦波形跟踪，并结合锁相环实现电压同步，有效确保输出电压稳定和电流与电压同相。

图7单相PWM整流器的典型双闭环控制框图

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四、仿真验证

4.1. 单相整流器仿真模型（仿真软件PLECS 4.7.5）

特色功能：

1. 能实现单位功率因数调节
2. 功率因数灵活调节

图8 单相整流器的仿真模型

4.2. 仿真结果

图9展示了在功率因数设定为1.0的条件下，系统的电压外环、电流内环的控制响应，以及交流电压 Uac与交流电流Iac的波形。从图中可以看出，Uac与 Iac同相位，表明系统实现了良好的单位功率因数控制。同时，电压外环和电流内环的反馈值均能够较好地跟踪其对应的参考值，说明控制系统具备良好的稳态和动态性能，满足预期的控制目标。

(a) 电压外环

(b) 电流内环

（c）交流电压、交流电流与锁相环输出

图9 功率因数设置为1.0时，单相整流器仿真结果

图10展示了在功率因数设定为0.5的条件下，系统的电压外环、电流内环的控制响应，以及交流电压 Uac与交流电流Iac的波形。从图中可以看出，Uac与 Iac存在明显相位偏差。同时，电压外环和电流内环的反馈值均能够较好地跟踪其对应的参考值，说明控制系统具备良好的稳态和动态性能。

(a) 电压外环

(b) 电流内环

（c）交流电压、交流电流与锁相环输出

图10 功率因数设置为1.0时，单相整流器仿真结果

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公众号“电源海盗船”中，回复“Singlephase_Rectifier”我将发出这个仿真文件，包括单相整流器的闭环控制仿真模型、锁相环等模块。