現代逆變電源中有源功率因數校正技術的應用

摘要：本文對現代逆變器系統的結構功能及其對功率因數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功能的逆變器構成方案，指出了各個方案的優缺點。
關鍵詞：有源功率因數校正；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，特別是當前“綠色”電源的呼聲越來越高，現代逆變器系統對功率因數校正和電流諧波抑制提出的更高的要求。本文對功率因數校正在現代逆變電源中的應用作了簡要介紹。分析比較了幾種帶有PFC功能的逆變器構成方案，分析結果表明帶單級隔離型PFC電路的兩級逆變器具有更高的可靠性，更高的效率和更低的成本。
1   現代逆變電源系統的組成和結構
隨著各行各業控制技術的發展和對操作性能要求的提高，許多行業的用電設備都不是直接使用通用交流電網提供的交流電作為電能源，而是通過各種形式對其進行變換，從而得到各自所需的電能形式。現代逆變系統就是一種通過整流和逆變組合電路，來實現逆變功能的電源系統。逆變系統除了整流電路和逆變電路外，還要有控制電路、保護電路和輔助電路等。現代逆變系統基本結構如圖1所示。
 
 

圖1 逆變系統基本結構框圖
現代逆變系統各部分功能如下：
 1. 整流電路：整流電路就是利用整流開關器件，如半導體二極管、晶閘管(可控硅)和自關斷開關器件等，將交流電變換為直流電。除此之外，整流電路還應具有抑制電流諧波和功率因數調整功能。
 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生和調節一系列的控制脈沖來控制逆變開關管的導通和關斷，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。對于交流電網輸入，可以采用工頻降壓、整流、線性穩壓等方式，當然也可以采用DC-DC變換器。
5. 保護電路：保護電路要實現的功能主要包括：輸入過壓、欠壓保護；輸出過壓、欠壓保護；過載保護；過流和短路保護；過熱保護等。
2 逆變電源系統功率因數及諧波干擾問題分析
對于逆變器的整流環節（AC-DC），傳統的方法仍采用不控整流將通用交流電網提供的交流電經整流變換為直流。雖然不控整流器電路簡單可靠，但它會從電網中吸取高峰值電流，使輸入端電流和交流電壓均發生畸變。也就是說，大量的電器設備自身的穩壓電源，其輸入前置級電路實際上是一個峰值檢波器，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，因而在電網輸入端產生失真很大的諧波峰值干擾，如圖1.2所示。
  
 
(a) 電網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  傳統整流電路輸入端電網電壓和電流失真與諧波干擾分量圖

由此可見，大量整流電路的應用使電網供給嚴重畸變的非正弦電流，對此畸變的輸入電流進行傅立葉分析，發現它不僅含有基波，還含有豐富的高次諧波分量。這些高次諧波倒流入電網，引起嚴重的諧波污染，使輸入端功率因數下降，將造成巨大的浪費和嚴重危害。輸入電流諧波的危害主要有：
（1）使電能的生產、傳輸和利用的效率降低，使得電器設備過熱、產生振動和噪聲并使絕緣老化，使用壽命縮短，甚至發生故障或燒毀。
（2）可引起電力系統局部并聯諧振或串聯諧振，使諧波含量放大，造成電容器等設備燒毀。
（3）使測量儀器產生附加諧波誤差。常規的測量儀器是設計并工作在正弦電壓、電流波形的，因此在測量正弦電壓和電流時能保證其精度，但是這些儀表用于測量非正弦量時，會產生附加誤差，影響測量精度。
（4）諧波還會引起繼電保護和電動裝置誤動作，使電能計量出現混亂。
現代逆變電源系統對功率因數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生的噪聲和對電網產生的諧波污染，以保證電網供電質量，提高電網的可靠性；同時也為了提高輸入功率因數，以達到節能的效果，不少國家和國際學術組織都制定了限制電力系統諧波和用電設備諧波的標準和規定，如國際電氣電子工程師協會（IEEE）、國際電工委員會（IEC）和國際大電網會議（CIGRE）都推出了各自建議的諧波標準，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定和國家標準。
因此在現代逆變電源系統中，功率因數校正電路是一個不可或缺的重要組成部分。功率因數校正可以分為無源功率因數校正技術（Passive PFC）和有源功率因數校正技術（Active PFC）。無源功率因數校正技術是采用無源器件，如電感和電容組成得諧振濾波器來實現PFC功能；有源功率因數校正技術則采用了有源器件，如開關管和控制電路來實現PFC功能。現代逆變電源系統應用的多為有源功率因數校正技術，可以將輸入電流校正成與輸入電壓同相的正弦波，將功率因數提高至接近1。
3  帶有PFC功能的逆變器構成方案
具有功率因數校正功能的逆變器構成方案通常有三種：三級構成方案Ⅰ、三級構成方案Ⅱ和兩級構成方案。
1. 三級構成方案Ⅰ。其結構如圖3所示。第一級是50Hz工頻變壓器，用來實現電氣隔離功能，從而保證電源設備的安全性，免受來自高壓饋電線的危險。第二級是功率因數校正電路，用來強迫線電流跟隨線電壓，使線電流正弦化，提高功率因數，減少諧波含量，其輸出是400V左右的高壓直流。第三級是DC-AC模塊，用來實現逆變功能，即通過控制逆變電路的工作頻率和輸出時間比例，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備工作的要求來靈活地變化。
 
 

圖3三級構成方案Ⅰ主電路框圖

這是一種較早采用的方案，技術也比較成熟，其主要優點是電路結構簡單，實現較為容易。主要缺點是電能經過三級變換，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、耗費材料多；PFC級的輸出，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具有低壓輸入的應用場合產生了限制。比如鐵路用逆變器和航空用逆變器等多個重要的逆變器應用領域都需要110V的正弦交流電輸出，若采用這種構成方案，則不僅可靠性難以得到保證，而且逆變器的效率會進一步降低，一般不會超過80%。
2. 三級構成方案Ⅱ。其結構如圖4所示。第一級是PFC級，其結構功能與三級構成方案Ⅰ中的PFC電路相同。第二級是DC-DC級，用來調節PFC輸出電壓和實現電氣隔離。第三級是DC-AC模塊，其結構功能與三級構成方案Ⅰ中的DC-AC電路相同。這是目前應用較多的一種方案，是中大功率應用的最佳選擇。
 
 
圖4 三級構成方案Ⅱ主電路框圖
這種方案的主要優點是去掉了笨重龐大的工頻變壓器；每一級均有各自的控制環節，使得該電路具有良好的性能；DC-AC的輸入電壓可根據逆變輸出的不同要求進行調整，適用于各種功率場合，效率較三級構成方案Ⅰ有所提高。缺點是各級都需要一套獨立的控制電路，增加了器件數目和控制電路的復雜性；由于電能同樣經過三級變換，使得逆變器的可靠性和效率仍然不能令人滿意。
3.兩級構成方案。 針對以上兩種方案的不足，人們提出了一種兩級構成方案。該方案將三級構成方案Ⅱ中的前兩級合并為一級，使PFC和DC-DC級共用開關管和控制電路（如圖5所示），并通過高頻變壓器得到可調PFC輸出直流電壓，實現電氣隔離,如圖5所示。這種方案保持了三級構成方案Ⅱ中的優點，而且改進了三級構成方案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成方案最顯著的優點。
 
 

圖5 典型的單級PFC變換器電路圖
 
圖6 兩級逆變器構成方案主電路框圖
4 結論
將這三種逆變器的構成方案進行比較后不難發現，它們的逆變部分結構和功能完全相同，區別僅在于整流環節，即通過不同方法產生經隔離和功率因數校正后的（可調）直流電壓，來作為逆變級的輸入。由于單級PFC電路將PFC級和DC-DC級結合在一起，能量只被處理一次，用一個控制器就能完成輸入PFC和輸出電壓調節功能，因此非常適用于逆變電源的前級整流環節。采用單級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PFC電路的兩級逆變技術成為電力電子領域研究的一個熱門課題。
盡管單級PFC電路具有上述優點，但是與傳統的兩級式PFC變換器相比，它要承受更高的電壓應力，有更多的功率損耗。這些問題在開關頻率較高時顯得尤為突出，影響了變換器工作的可靠性和開關頻率的進一步提高，也限制了其在大功率場合的應用。為此，近些年又提出了各種軟開關技術，如零電流開關（ZCS）、零電壓開關（ZVS）、零電壓轉換-脈寬調制（ZVT-PWM）、零電流轉換-脈寬調制（ZCT-PWM）等，有效地解決了這些問題，使得單級PFC電路在逆變電源系統中具有了更廣闊的應用前景。