中心議題：

• 現代逆變電源係統的組成和結構
• 逆變電源係統功率因數及諧波幹擾問題分析
• 帶有PFC功能的逆變器構成方案

解決方案：

• 帶有PFC功能的逆變器三級構成方案I
• 帶有PFC功能的逆變器三級構成方案II
• 帶有PFC功能的逆變器兩級構成方案

由於對性能要求的不斷提高
，特別是當前“綠色”電dian源yuan的de呼hu聲sheng越yue來lai越yue高gao，現xian代dai逆ni變bian器qi係xi統tong對dui功gong率lv因yin數shu校xiao正zheng和he電dian流liu諧xie波bo抑yi製zhi提ti出chu的de更geng高gao的de要yao求qiu。本ben文wen對dui功gong率lv因yin數shu校xiao正zheng在zai現xian代dai逆ni變bian電dian源yuan中zhong的de應ying用yong作zuo了le簡jian要yao介jie紹shao。分fen析xi比bi較jiao了le幾ji種zhong帶dai有youPFC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   現代逆變電源係統的組成和結構

隨sui著zhe各ge行xing各ge業ye控kong製zhi技ji術shu的de發fa展zhan和he對dui操cao作zuo性xing能neng要yao求qiu的de提ti高gao，許xu多duo行xing業ye的de用yong電dian設she備bei都dou不bu是shi直zhi接jie使shi用yong通tong用yong交jiao流liu電dian網wang提ti供gong的de交jiao流liu電dian作zuo為wei電dian能neng源yuan，而er是shi通tong過guo各ge種zhong形xing式shi對dui其qi進jin行xing變bian換huan，從cong而er得de到dao各ge自zi所suo需xu的de電dian能neng形xing式shi。現xian代dai逆ni變bian係xi統tong就jiu是shi一yi種zhong通tong過guo整zheng流liu和he逆ni變bian組zu合he電dian路lu，來lai實shi現xian逆ni變bian功gong能neng的de電dian源yuan係xi統tong。逆ni變bian係xi統tong除chu了le整zheng流liu電dian路lu和he逆ni變bian電dian路lu外wai，還hai要yao有you控kong製zhi電dian路lu、保護電路和輔助電路等。現代逆變係統基本結構如圖1所示。

圖1 逆變係統基本結構框圖

現代逆變係統各部分功能如下：

 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(可控矽)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製電流諧波和功率因數調整功能。

 2. 逆變電路：逆ni變bian電dian路lu的de功gong能neng是shi將jiang直zhi流liu電dian變bian換huan成cheng交jiao流liu電dian，即ji通tong過guo控kong製zhi逆ni變bian電dian路lu的de工gong作zuo頻pin率lv和he輸shu出chu時shi間jian比bi例li，使shi逆ni變bian器qi的de輸shu出chu電dian壓ya或huo電dian流liu的de頻pin率lv和he幅fu值zhi按an照zhao人ren們men的de意yi願yuan或huo設she備bei工gong作zuo的de要yao求qiu來lai靈ling活huo地di變bian化hua。

3. 控製電路：控製電路的功能是按要求產生和調節一係列的控製脈衝來控製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製電路工作需要的直流電壓。對於交流電網輸入，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。[page]

2 逆變電源係統功率因數及諧波幹擾問題分析

對於逆變器的整流環節（AC-DC）
，傳(chuan)統(tong)的(de)方(fang)法(fa)仍(reng)采(cai)用(yong)不(bu)控(kong)整(zheng)流(liu)將(jiang)通(tong)用(yong)交(jiao)流(liu)電(dian)網(wang)提(ti)供(gong)的(de)交(jiao)流(liu)電(dian)經(jing)整(zheng)流(liu)變(bian)換(huan)為(wei)直(zhi)流(liu)。雖(sui)然(ran)不(bu)控(kong)整(zheng)流(liu)器(qi)電(dian)路(lu)簡(jian)單(dan)可(ke)靠(kao)，但(dan)它(ta)會(hui)從(cong)電(dian)網(wang)中(zhong)吸(xi)取(qu)高(gao)峰(feng)值(zhi)電(dian)流(liu)
，使(shi)輸(shu)入(ru)端(duan)電(dian)流(liu)和(he)交(jiao)流(liu)電(dian)壓(ya)均(jun)發(fa)生(sheng)畸(ji)變(bian)。也(ye)就(jiu)是(shi)說(shuo)
，大(da)量(liang)的(de)電(dian)器(qi)設(she)備(bei)自(zi)身(shen)的(de)穩(wen)壓(ya)電(dian)源(yuan)，其(qi)輸(shu)入(ru)前(qian)置(zhi)級(ji)電(dian)路(lu)實(shi)際(ji)上(shang)是(shi)一(yi)個(ge)峰(feng)值(zhi)檢(jian)波(bo)器(qi)，在(zai)高(gao)壓(ya)電(dian)容(rong)濾(lv)波(bo)器(qi)上(shang)的(de)充(chong)電(dian)電(dian)壓(ya)，使(shi)得(de)整(zheng)流(liu)器(qi)的(de)導(dao)通(tong)角(jiao)縮(suo)短(duan)三(san)倍(bei)，電(dian)流(liu)脈(mai)衝(chong)成(cheng)了(le)非(fei)正(zheng)弦(xian)波(bo)的(de)窄(zhai)脈(mai)衝(chong)，因(yin)而(er)在(zai)電(dian)網(wang)輸(shu)入(ru)端(duan)產(chan)生(sheng)失(shi)真(zhen)很(hen)大(da)的(de)諧(xie)波(bo)峰(feng)值(zhi)幹(gan)擾(rao)，如(ru)圖(tu)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幹擾分量圖

由you此ci可ke見jian，大da量liang整zheng流liu電dian路lu的de應ying用yong使shi電dian網wang供gong給gei嚴yan重zhong畸ji變bian的de非fei正zheng弦xian電dian流liu
，對dui此ci畸ji變bian的de輸shu入ru電dian流liu進jin行xing傅fu立li葉ye分fen析xi，發fa現xian它ta不bu僅jin含han有you基ji波bo


，還hai含han有you豐feng富fu的de高gao次ci諧xie波bo分fen量liang。這zhe些xie高gao次ci諧xie波bo倒dao流liu入ru電dian網wang，引yin起qi嚴yan重zhong的de諧xie波bo汙wu染ran
，使shi輸shu入ru端duan功gong率lv因yin數shu下xia降jiang，將jiang造zao成cheng巨ju大da的de浪lang費fei和he嚴yan重zhong危wei害hai。輸shu入ru電dian流liu諧xie波bo的de危wei害hai主zhu要yao有you：

（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
、產生振動和噪聲並使絕緣老化
，使用壽命縮短，甚至發生故障或燒毀。

（2）可引起電力係統局部並聯諧振或串聯諧振，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並工作在正弦電壓、電流波形的
，因此在測量正弦電壓和電流時能保證其精度，但是這些儀表用於測量非正弦量時
，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。

現代逆變電源係統對功率因數校正和電流諧波抑製提出了更高的要求。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汙染，以保證電網供電質量，提高電網的可靠性
；同tong時shi也ye為wei了le提ti高gao輸shu入ru功gong率lv因yin數shu，以yi達da到dao節jie能neng的de效xiao果guo，不bu少shao國guo家jia和he國guo際ji學xue術shu組zu織zhi都dou製zhi定ding了le限xian製zhi電dian力li係xi統tong諧xie波bo和he用yong電dian設she備bei諧xie波bo的de標biao準zhun和he規gui定ding
，如ru國guo際ji電dian氣qi電dian子zi工gong程cheng師shi協xie會hui（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
，我國也先後於1984年和1993年分別製定了限製諧波的規定和國家標準。

因此在現代逆變電源係統中，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，如開關管和控製電路來實現PFC功能。現代逆變電源係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gong頻pin變bian壓ya器qi
，用yong來lai實shi現xian電dian氣qi隔ge離li功gong能neng，從cong而er保bao證zheng電dian源yuan設she備bei的de安an全quan性xing
，免mian受shou來lai自zi高gao壓ya饋kui電dian線xian的de危wei險xian。第di二er級ji是shi功gong率lv因yin數shu校xiao正zheng電dian路lu，用yong來lai強qiang迫po線xian電dian流liu跟gen隨sui線xian電dian壓ya
，使shi線xian電dian流liu正zheng弦xian化hua
，提ti高gao功gong率lv因yin數shu，減jian少shao諧xie波bo含han量liang，其qi輸shu出chu是shi400V左右的高壓直流。第三級是DC-AC模mo塊kuai，用yong來lai實shi現xian逆ni變bian功gong能neng，即ji通tong過guo控kong製zhi逆ni變bian電dian路lu的de工gong作zuo頻pin率lv和he輸shu出chu時shi間jian比bi例li，使shi逆ni變bian器qi的de輸shu出chu電dian壓ya或huo電dian流liu的de頻pin率lv和he幅fu值zhi按an照zhao人ren們men的de意yi願yuan或huo設she備bei工gong作zuo的de要yao求qiu來lai靈ling活huo地di變bian化hua。

圖3三級構成方案Ⅰ主電路框圖

這zhe是shi一yi種zhong較jiao早zao采cai用yong的de方fang案an，技ji術shu也ye比bi較jiao成cheng熟shu


，其qi主zhu要yao優you點dian是shi電dian路lu結jie構gou簡jian單dan，實shi現xian較jiao為wei容rong易yi。主zhu要yao缺que點dian是shi電dian能neng經jing過guo三san級ji變bian換huan，降jiang低di了le逆ni變bian器qi的de可ke靠kao性xing和he效xiao率lv
；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zuo右you的de高gao壓ya直zhi流liu電dian，這zhe就jiu對dui許xu多duo需xu要yao逆ni變bian級ji具ju有you低di壓ya輸shu入ru的de應ying用yong場chang合he產chan生sheng了le限xian製zhi。比bi如ru鐵tie路lu用yong逆ni變bian器qi和he航hang空kong用yong逆ni變bian器qi等deng多duo個ge重zhong要yao的de逆ni變bian器qi應ying用yong領ling域yu都dou需xu要yao110V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%。
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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製環節
，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
，適用於各種功率場合，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製電路，增加了器件數目和控製電路的複雜性；由於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中的前兩級合並為一級，使PFC和DC-DC級共用開關管和控製電路（如圖5所示），並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

4 結論

將jiang這zhe三san種zhong逆ni變bian器qi的de構gou成cheng方fang案an進jin行xing比bi較jiao後hou不bu難nan發fa現xian，它ta們men的de逆ni變bian部bu分fen結jie構gou和he功gong能neng完wan全quan相xiang同tong，區qu別bie僅jin在zai於yu整zheng流liu環huan節jie
，即ji通tong過guo不bu同tong方fang法fa產chan生sheng經jing隔ge離li和he功gong率lv因yin數shu校xiao正zheng後hou的de（可調）直流電壓
，來作為逆變級的輸入。由於單級PFC電路將PFC級和DC-DC級結合在一起
，能量隻被處理一次，用一個控製器就能完成輸入PFC和輸出電壓調節功能
，因此非常適用於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bian換huan器qi相xiang比bi，它ta要yao承cheng受shou更geng高gao的de電dian壓ya應ying力li，有you更geng多duo的de功gong率lv損sun耗hao。這zhe些xie問wen題ti在zai開kai關guan頻pin率lv較jiao高gao時shi顯xian得de尤you為wei突tu出chu，影ying響xiang了le變bian換huan器qi工gong作zuo的de可ke靠kao性xing和he開kai關guan頻pin率lv的de進jin一yi步bu提ti高gao，也ye限xian製zhi了le其qi在zai大da功gong率lv場chang合he的de應ying用yong。為wei此ci，近jin些xie年nian又you提ti出chu了le各ge種zhong軟ruan開kai關guan技ji術shu，如ru零ling電dian流liu開kai關guan（ZCS）、零電壓開關（ZVS）、零電壓轉換-脈寬調製（ZVT-PWM）、零電流轉換-脈寬調製（ZCT-PWM）等，有效地解決了這些問題，使得單級PFC電路在逆變電源係統中具有了更廣闊的應用前景。