现代逆变电源中有源功率因数校正技术的应用

现代逆变电源中有源功率因数校正技术的应用

摘要：本文对现代逆变器系统的结构功能及其对功率因数校正和电流谐波抑制提出的要求作了简要介绍。分析比较了几种带有PFC功能的逆变器构成方案，指出了各个方案的优缺点。
关键词：有源功率因数校正；逆变电源
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
由于对性能要求的不断提高，特别是当前“绿色”电源的呼声越来越高，现代逆变器系统对功率因数校正和电流谐波抑制提出的更高的要求。本文对功率因数校正在现代逆变电源中的应用作了简要介绍。分析比较了几种带有PFC功能的逆变器构成方案，分析结果表明带单级隔离型PFC电路的两级逆变器具有更高的可靠性，更高的效率和更低的成本。
1   现代逆变电源系统的组成和结构
随着各行各业控制技术的发展和对操作性能要求的提高，许多行业的用电设备都不是直接使用通用交流电网提供的交流电作为电能源，而是通过各种形式对其进行变换，从而得到各自所需的电能形式。现代逆变系统就是一种通过整流和逆变组合电路，来实现逆变功能的电源系统。逆变系统除了整流电路和逆变电路外，还要有控制电路、保护电路和辅助电路等。现代逆变系统基本结构如图1所示。
 
 

图1 逆变系统基本结构框图
现代逆变系统各部分功能如下：
 1. 整流电路：整流电路就是利用整流开关器件，如半导体二极管、晶闸管(可控硅)和自关断开关器件等，将交流电变换为直流电。除此之外，整流电路还应具有抑制电流谐波和功率因数调整功能。
 2. 逆变电路：逆变电路的功能是将直流电变换成交流电，即通过控制逆变电路的工作频率和输出时间比例，使逆变器的输出电压或电流的频率和幅值按照人们的意愿或设备工作的要求来灵活地变化。
3. 控制电路：控制电路的功能是按要求产生和调节一系列的控制脉冲来控制逆变开关管的导通和关断，从而配合逆变器主电路完成逆变功能。
4. 辅助电路：辅助电路的功能是将逆变器的输入电压变换成适合控制电路工作需要的直流电压。对于交流电网输入，可以采用工频降压、整流、线性稳压等方式，当然也可以采用DC-DC变换器。
5. 保护电路：保护电路要实现的功能主要包括：输入过压、欠压保护；输出过压、欠压保护；过载保护；过流和短路保护；过热保护等。
2 逆变电源系统功率因数及谐波干扰问题分析
对于逆变器的整流环节（AC-DC），传统的方法仍采用不控整流将通用交流电网提供的交流电经整流变换为直流。虽然不控整流器电路简单可靠，但它会从电网中吸取高峰值电流，使输入端电流和交流电压均发生畸变。也就是说，大量的电器设备自身的稳压电源，其输入前置级电路实际上是一个峰值检波器，在高压电容滤波器上的充电电压，使得整流器的导通角缩短三倍，电流脉冲成了非正弦波的窄脉冲，因而在电网输入端产生失真很大的谐波峰值干扰，如图1.2所示。
  
 
(a) 电网输入端电流和电压的畸变    (b)峰值电流中的各次谐波分量频谱
图2  传统整流电路输入端电网电压和电流失真与谐波干扰分量图

由此可见，大量整流电路的应用使电网供给严重畸变的非正弦电流，对此畸变的输入电流进行傅立叶分析，发现它不仅含有基波，还含有丰富的高次谐波分量。这些高次谐波倒流入电网，引起严重的谐波污染，使输入端功率因数下降，将造成巨大的浪费和严重危害。输入电流谐波的危害主要有：
（1）使电能的生产、传输和利用的效率降低，使得电器设备过热、产生振动和噪声并使绝缘老化，使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁。
（2）可引起电力系统局部并联谐振或串联谐振，使谐波含量放大，造成电容器等设备烧毁。
（3）使测量仪器产生附加谐波误差。常规的测量仪器是设计并工作在正弦电压、电流波形的，因此在测量正弦电压和电流时能保证其精度，但是这些仪表用于测量非正弦量时，会产生附加误差，影响测量精度。
（4）谐波还会引起继电保护和电动装置误动作，使电能计量出现混乱。
现代逆变电源系统对功率因数校正和电流谐波抑制提出了更高的要求。为了减小AC-DC交流电路输入端谐波产生的噪声和对电网产生的谐波污染，以保证电网供电质量，提高电网的可靠性；同时也为了提高输入功率因数，以达到节能的效果，不少国家和国际学术组织都制定了限制电力系统谐波和用电设备谐波的标准和规定，如国际电气电子工程师协会（IEEE）、国际电工委员会（IEC）和国际大电网会议（CIGRE）都推出了各自建议的谐波标准，其中最有影响力的是IEEE519-992和IEC1000-3-2，我国也先后于1984年和1993年分别制定了限制谐波的规定和国家标准。
因此在现代逆变电源系统中，功率因数校正电路是一个不可或缺的重要组成部分。功率因数校正可以分为无源功率因数校正技术（Passive PFC）和有源功率因数校正技术（Active PFC）。无源功率因数校正技术是采用无源器件，如电感和电容组成得谐振滤波器来实现PFC功能；有源功率因数校正技术则采用了有源器件，如开关管和控制电路来实现PFC功能。现代逆变电源系统应用的多为有源功率因数校正技术，可以将输入电流校正成与输入电压同相的正弦波，将功率因数提高至接近1。
3  带有PFC功能的逆变器构成方案
具有功率因数校正功能的逆变器构成方案通常有三种：三级构成方案Ⅰ、三级构成方案Ⅱ和两级构成方案。
1. 三级构成方案Ⅰ。其结构如图3所示。第一级是50Hz工频变压器，用来实现电气隔离功能，从而保证电源设备的安全性，免受来自高压馈电线的危险。第二级是功率因数校正电路，用来强迫线电流跟随线电压，使线电流正弦化，提高功率因数，减少谐波含量，其输出是400V左右的高压直流。第三级是DC-AC模块，用来实现逆变功能，即通过控制逆变电路的工作频率和输出时间比例，使逆变器的输出电压或电流的频率和幅值按照人们的意愿或设备工作的要求来灵活地变化。
 
 

图3三级构成方案Ⅰ主电路框图

这是一种较早采用的方案，技术也比较成熟，其主要优点是电路结构简单，实现较为容易。主要缺点是电能经过三级变换，降低了逆变器的可靠性和效率；工频隔离变压器体积庞大、笨重、耗费材料多；PFC级的输出，即DC-AC的输入为400V左右的高压直流电，这就对许多需要逆变级具有低压输入的应用场合产生了限制。比如铁路用逆变器和航空用逆变器等多个重要的逆变器应用领域都需要110V的正弦交流电输出，若采用这种构成方案，则不仅可靠性难以得到保证，而且逆变器的效率会进一步降低，一般不会超过80%。
2. 三级构成方案Ⅱ。其结构如图4所示。第一级是PFC级，其结构功能与三级构成方案Ⅰ中的PFC电路相同。第二级是DC-DC级，用来调节PFC输出电压和实现电气隔离。第三级是DC-AC模块，其结构功能与三级构成方案Ⅰ中的DC-AC电路相同。这是目前应用较多的一种方案，是中大功率应用的最佳选择。
 
 
图4 三级构成方案Ⅱ主电路框图
这种方案的主要优点是去掉了笨重庞大的工频变压器；每一级均有各自的控制环节，使得该电路具有良好的性能；DC-AC的输入电压可根据逆变输出的不同要求进行调整，适用于各种功率场合，效率较三级构成方案Ⅰ有所提高。缺点是各级都需要一套独立的控制电路，增加了器件数目和控制电路的复杂性；由于电能同样经过三级变换，使得逆变器的可靠性和效率仍然不能令人满意。
3.两级构成方案。 针对以上两种方案的不足，人们提出了一种两级构成方案。该方案将三级构成方案Ⅱ中的前两级合并为一级，使PFC和DC-DC级共用开关管和控制电路（如图5所示），并通过高频变压器得到可调PFC输出直流电压，实现电气隔离,如图5所示。这种方案保持了三级构成方案Ⅱ中的优点，而且改进了三级构成方案Ⅱ的不足之处。总之，可靠性高、效率高、成本低是这种逆变器构成方案最显著的优点。
 
 

图5 典型的单级PFC变换器电路图
 
图6 两级逆变器构成方案主电路框图
4 结论
将这三种逆变器的构成方案进行比较后不难发现，它们的逆变部分结构和功能完全相同，区别仅在于整流环节，即通过不同方法产生经隔离和功率因数校正后的（可调）直流电压，来作为逆变级的输入。由于单级PFC电路将PFC级和DC-DC级结合在一起，能量只被处理一次，用一个控制器就能完成输入PFC和输出电压调节功能，因此非常适用于逆变电源的前级整流环节。采用单级PFC电路的逆变器具有更高的可靠性，更高的效率和更低的成本。所以，带单级PFC电路的两级逆变技术成为电力电子领域研究的一个热门课题。
尽管单级PFC电路具有上述优点，但是与传统的两级式PFC变换器相比，它要承受更高的电压应力，有更多的功率损耗。这些问题在开关频率较高时显得尤为突出，影响了变换器工作的可靠性和开关频率的进一步提高，也限制了其在大功率场合的应用。为此，近些年又提出了各种软开关技术，如零电流开关（ZCS）、零电压开关（ZVS）、零电压转换-脉宽调制（ZVT-PWM）、零电流转换-脉宽调制（ZCT-PWM）等，有效地解决了这些问题，使得单级PFC电路在逆变电源系统中具有了更广阔的应用前景。