帶有PFC功能的變頻電源構(gòu)成方案

　　具有功率因數(shù)校正功能的變頻電源構(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(lái)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(lái)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(lái)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(lái)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，使變頻電源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(lái)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(jiǎn)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，降低了變頻電源的可靠性和效率；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(duì)許多需要逆變級(jí)具有低壓輸入的應(yīng)用場(chǎng)合產(chǎn)生了限制。比如鐵路用變頻電源和航空用變頻電源等多個(gè)重要的變頻電源應(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，而且變頻電源的效率會(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(lái)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(chǎng)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，使得變頻電源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(duì)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、成本低是這種變頻電源構(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

　　4 結(jié)論

　　將這三種變頻電源的構(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(lái)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電路的變頻電源具有更高的可靠性，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(chǎng)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電路在變頻電源系統(tǒng)中具有了更廣闊的應(yīng)用前景。

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