現(xiàn)代逆變電源中有源功率因數(shù)校正技術(shù)的應(yīng)用

摘要：本文對現(xiàn)代逆變器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)功能及其對功率因數(shù)校正和電流諧波抑制提出的要求作了簡要介紹。分析比較了幾種帶有PFC功能的逆變器構(gòu)成方案，指出了各個(gè)方案的優(yōu)缺點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：有源功率因數(shù)校正；逆變電源
The Application of APFC on Modern Inverter Power Supplies
Wang Shao-kun Hou Zhen-yi
(The Telecommunication Engineering Institue,AFEU.,Xi’an Shannxi 710077 China)
Abstract: The paper introduces the structure and functions of modern inverter system and its demands on power factor correction (PFC) and current harmonic restraint briefly, analyses and compares several composing schemes of the inverter.
Key Words: Active Power Factor Correction; Inverter Power Supplies
0   引言
由于對性能要求的不斷提高，特別是當(dāng)前“綠色”電源的呼聲越來越高，現(xiàn)代逆變器系統(tǒng)對功率因數(shù)校正和電流諧波抑制提出的更高的要求。本文對功率因數(shù)校正在現(xiàn)代逆變電源中的應(yīng)用作了簡要介紹。分析比較了幾種帶有PFC功能的逆變器構(gòu)成方案，分析結(jié)果表明帶單級(jí)隔離型PFC電路的兩級(jí)逆變器具有更高的可靠性，更高的效率和更低的成本。
1   現(xiàn)代逆變電源系統(tǒng)的組成和結(jié)構(gòu)
隨著各行各業(yè)控制技術(shù)的發(fā)展和對操作性能要求的提高，許多行業(yè)的用電設(shè)備都不是直接使用通用交流電網(wǎng)提供的交流電作為電能源，而是通過各種形式對其進(jìn)行變換，從而得到各自所需的電能形式。現(xiàn)代逆變系統(tǒng)就是一種通過整流和逆變組合電路，來實(shí)現(xiàn)逆變功能的電源系統(tǒng)。逆變系統(tǒng)除了整流電路和逆變電路外，還要有控制電路、保護(hù)電路和輔助電路等。現(xiàn)代逆變系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。
 
 

圖1 逆變系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)框圖
現(xiàn)代逆變系統(tǒng)各部分功能如下：
 1. 整流電路：整流電路就是利用整流開關(guān)器件，如半導(dǎo)體二極管、晶閘管(可控硅)和自關(guān)斷開關(guān)器件等，將交流電變換為直流電。除此之外，整流電路還應(yīng)具有抑制電流諧波和功率因數(shù)調(diào)整功能。
 2. 逆變電路：逆變電路的功能是將直流電變換成交流電，即通過控制逆變電路的工作頻率和輸出時(shí)間比例，使逆變器的輸出電壓或電流的頻率和幅值按照人們的意愿或設(shè)備工作的要求來靈活地變化。
3. 控制電路：控制電路的功能是按要求產(chǎn)生和調(diào)節(jié)一系列的控制脈沖來控制逆變開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷，從而配合逆變器主電路完成逆變功能。
4. 輔助電路：輔助電路的功能是將逆變器的輸入電壓變換成適合控制電路工作需要的直流電壓。對于交流電網(wǎng)輸入，可以采用工頻降壓、整流、線性穩(wěn)壓等方式，當(dāng)然也可以采用DC-DC變換器。
5. 保護(hù)電路：保護(hù)電路要實(shí)現(xiàn)的功能主要包括：輸入過壓、欠壓保護(hù)；輸出過壓、欠壓保護(hù)；過載保護(hù)；過流和短路保護(hù)；過熱保護(hù)等。
2 逆變電源系統(tǒng)功率因數(shù)及諧波干擾問題分析
對于逆變器的整流環(huán)節(jié)（AC-DC），傳統(tǒng)的方法仍采用不控整流將通用交流電網(wǎng)提供的交流電經(jīng)整流變換為直流。雖然不控整流器電路簡單可靠，但它會(huì)從電網(wǎng)中吸取高峰值電流，使輸入端電流和交流電壓均發(fā)生畸變。也就是說，大量的電器設(shè)備自身的穩(wěn)壓電源，其輸入前置級(jí)電路實(shí)際上是一個(gè)峰值檢波器，在高壓電容濾波器上的充電電壓，使得整流器的導(dǎo)通角縮短三倍，電流脈沖成了非正弦波的窄脈沖，因而在電網(wǎng)輸入端產(chǎn)生失真很大的諧波峰值干擾，如圖1.2所示。
  
 
(a) 電網(wǎng)輸入端電流和電壓的畸變    (b)峰值電流中的各次諧波分量頻譜
圖2  傳統(tǒng)整流電路輸入端電網(wǎng)電壓和電流失真與諧波干擾分量圖

由此可見，大量整流電路的應(yīng)用使電網(wǎng)供給嚴(yán)重畸變的非正弦電流，對此畸變的輸入電流進(jìn)行傅立葉分析，發(fā)現(xiàn)它不僅含有基波，還含有豐富的高次諧波分量。這些高次諧波倒流入電網(wǎng)，引起嚴(yán)重的諧波污染，使輸入端功率因數(shù)下降，將造成巨大的浪費(fèi)和嚴(yán)重危害。輸入電流諧波的危害主要有：
（1）使電能的生產(chǎn)、傳輸和利用的效率降低，使得電器設(shè)備過熱、產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲并使絕緣老化，使用壽命縮短，甚至發(fā)生故障或燒毀。
（2）可引起電力系統(tǒng)局部并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振，使諧波含量放大，造成電容器等設(shè)備燒毀。
（3）使測量儀器產(chǎn)生附加諧波誤差。常規(guī)的測量儀器是設(shè)計(jì)并工作在正弦電壓、電流波形的，因此在測量正弦電壓和電流時(shí)能保證其精度，但是這些儀表用于測量非正弦量時(shí)，會(huì)產(chǎn)生附加誤差，影響測量精度。
（4）諧波還會(huì)引起繼電保護(hù)和電動(dòng)裝置誤動(dòng)作，使電能計(jì)量出現(xiàn)混亂。
現(xiàn)代逆變電源系統(tǒng)對功率因數(shù)校正和電流諧波抑制提出了更高的要求。為了減小AC-DC交流電路輸入端諧波產(chǎn)生的噪聲和對電網(wǎng)產(chǎn)生的諧波污染，以保證電網(wǎng)供電質(zhì)量，提高電網(wǎng)的可靠性；同時(shí)也為了提高輸入功率因數(shù)，以達(dá)到節(jié)能的效果，不少國家和國際學(xué)術(shù)組織都制定了限制電力系統(tǒng)諧波和用電設(shè)備諧波的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定，如國際電氣電子工程師協(xié)會(huì)（IEEE）、國際電工委員會(huì)（IEC）和國際大電網(wǎng)會(huì)議（CIGRE）都推出了各自建議的諧波標(biāo)準(zhǔn)，其中最有影響力的是IEEE519-992和IEC1000-3-2，我國也先后于1984年和1993年分別制定了限制諧波的規(guī)定和國家標(biāo)準(zhǔn)。
因此在現(xiàn)代逆變電源系統(tǒng)中，功率因數(shù)校正電路是一個(gè)不可或缺的重要組成部分。功率因數(shù)校正可以分為無源功率因數(shù)校正技術(shù)（Passive PFC）和有源功率因數(shù)校正技術(shù)（Active PFC）。無源功率因數(shù)校正技術(shù)是采用無源器件，如電感和電容組成得諧振濾波器來實(shí)現(xiàn)PFC功能；有源功率因數(shù)校正技術(shù)則采用了有源器件，如開關(guān)管和控制電路來實(shí)現(xiàn)PFC功能。現(xiàn)代逆變電源系統(tǒng)應(yīng)用的多為有源功率因數(shù)校正技術(shù)，可以將輸入電流校正成與輸入電壓同相的正弦波，將功率因數(shù)提高至接近1。
3  帶有PFC功能的逆變器構(gòu)成方案
具有功率因數(shù)校正功能的逆變器構(gòu)成方案通常有三種：三級(jí)構(gòu)成方案Ⅰ、三級(jí)構(gòu)成方案Ⅱ和兩級(jí)構(gòu)成方案。
1. 三級(jí)構(gòu)成方案Ⅰ。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。第一級(jí)是50Hz工頻變壓器，用來實(shí)現(xiàn)電氣隔離功能，從而保證電源設(shè)備的安全性，免受來自高壓饋電線的危險(xiǎn)。第二級(jí)是功率因數(shù)校正電路，用來強(qiáng)迫線電流跟隨線電壓，使線電流正弦化，提高功率因數(shù)，減少諧波含量，其輸出是400V左右的高壓直流。第三級(jí)是DC-AC模塊，用來實(shí)現(xiàn)逆變功能，即通過控制逆變電路的工作頻率和輸出時(shí)間比例，使逆變器的輸出電壓或電流的頻率和幅值按照人們的意愿或設(shè)備工作的要求來靈活地變化。
 
 

圖3三級(jí)構(gòu)成方案Ⅰ主電路框圖

這是一種較早采用的方案，技術(shù)也比較成熟，其主要優(yōu)點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡單，實(shí)現(xiàn)較為容易。主要缺點(diǎn)是電能經(jīng)過三級(jí)變換，降低了逆變器的可靠性和效率；工頻隔離變壓器體積龐大、笨重、耗費(fèi)材料多；PFC級(jí)的輸出，即DC-AC的輸入為400V左右的高壓直流電，這就對許多需要逆變級(jí)具有低壓輸入的應(yīng)用場合產(chǎn)生了限制。比如鐵路用逆變器和航空用逆變器等多個(gè)重要的逆變器應(yīng)用領(lǐng)域都需要110V的正弦交流電輸出，若采用這種構(gòu)成方案，則不僅可靠性難以得到保證，而且逆變器的效率會(huì)進(jìn)一步降低，一般不會(huì)超過80%。
2. 三級(jí)構(gòu)成方案Ⅱ。其結(jié)構(gòu)如圖4所示。第一級(jí)是PFC級(jí)，其結(jié)構(gòu)功能與三級(jí)構(gòu)成方案Ⅰ中的PFC電路相同。第二級(jí)是DC-DC級(jí)，用來調(diào)節(jié)PFC輸出電壓和實(shí)現(xiàn)電氣隔離。第三級(jí)是DC-AC模塊，其結(jié)構(gòu)功能與三級(jí)構(gòu)成方案Ⅰ中的DC-AC電路相同。這是目前應(yīng)用較多的一種方案，是中大功率應(yīng)用的最佳選擇。
 
 
圖4 三級(jí)構(gòu)成方案Ⅱ主電路框圖
這種方案的主要優(yōu)點(diǎn)是去掉了笨重龐大的工頻變壓器；每一級(jí)均有各自的控制環(huán)節(jié)，使得該電路具有良好的性能；DC-AC的輸入電壓可根據(jù)逆變輸出的不同要求進(jìn)行調(diào)整，適用于各種功率場合，效率較三級(jí)構(gòu)成方案Ⅰ有所提高。缺點(diǎn)是各級(jí)都需要一套獨(dú)立的控制電路，增加了器件數(shù)目和控制電路的復(fù)雜性；由于電能同樣經(jīng)過三級(jí)變換，使得逆變器的可靠性和效率仍然不能令人滿意。
3.兩級(jí)構(gòu)成方案。 針對以上兩種方案的不足，人們提出了一種兩級(jí)構(gòu)成方案。該方案將三級(jí)構(gòu)成方案Ⅱ中的前兩級(jí)合并為一級(jí)，使PFC和DC-DC級(jí)共用開關(guān)管和控制電路（如圖5所示），并通過高頻變壓器得到可調(diào)PFC輸出直流電壓，實(shí)現(xiàn)電氣隔離,如圖5所示。這種方案保持了三級(jí)構(gòu)成方案Ⅱ中的優(yōu)點(diǎn)，而且改進(jìn)了三級(jí)構(gòu)成方案Ⅱ的不足之處。總之，可靠性高、效率高、成本低是這種逆變器構(gòu)成方案最顯著的優(yōu)點(diǎn)。
 
 

圖5 典型的單級(jí)PFC變換器電路圖
 
圖6 兩級(jí)逆變器構(gòu)成方案主電路框圖
4 結(jié)論
將這三種逆變器的構(gòu)成方案進(jìn)行比較后不難發(fā)現(xiàn)，它們的逆變部分結(jié)構(gòu)和功能完全相同，區(qū)別僅在于整流環(huán)節(jié)，即通過不同方法產(chǎn)生經(jīng)隔離和功率因數(shù)校正后的（可調(diào)）直流電壓，來作為逆變級(jí)的輸入。由于單級(jí)PFC電路將PFC級(jí)和DC-DC級(jí)結(jié)合在一起，能量只被處理一次，用一個(gè)控制器就能完成輸入PFC和輸出電壓調(diào)節(jié)功能，因此非常適用于逆變電源的前級(jí)整流環(huán)節(jié)。采用單級(jí)PFC電路的逆變器具有更高的可靠性，更高的效率和更低的成本。所以，帶單級(jí)PFC電路的兩級(jí)逆變技術(shù)成為電力電子領(lǐng)域研究的一個(gè)熱門課題。
盡管單級(jí)PFC電路具有上述優(yōu)點(diǎn)，但是與傳統(tǒng)的兩級(jí)式PFC變換器相比，它要承受更高的電壓應(yīng)力，有更多的功率損耗。這些問題在開關(guān)頻率較高時(shí)顯得尤為突出，影響了變換器工作的可靠性和開關(guān)頻率的進(jìn)一步提高，也限制了其在大功率場合的應(yīng)用。為此，近些年又提出了各種軟開關(guān)技術(shù)，如零電流開關(guān)（ZCS）、零電壓開關(guān)（ZVS）、零電壓轉(zhuǎn)換-脈寬調(diào)制（ZVT-PWM）、零電流轉(zhuǎn)換-脈寬調(diào)制（ZCT-PWM）等，有效地解決了這些問題，使得單級(jí)PFC電路在逆變電源系統(tǒng)中具有了更廣闊的應(yīng)用前景。