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帶有PFC功能的變頻電源構成方案

發布者：niedecheng 發布時間：2011-11-07 08:54:59

帶有PFC功能的變頻電源構成方案

　　具有功率因數校正功能的變頻電源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。比如鐵路用變頻電源和航空用變頻電源等多個重要的變頻電源應用領域都需要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，而且變頻電源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，使得變頻電源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、成本低是這種變頻電源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

　　將這三種變頻電源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電路在變頻電源系統中具有了更廣闊的應用前景。