王志軍

摘 要：本文分析了逆變系統(tǒng)的含義，并探究了PFC電路和指出了PFC主流控制方法的優(yōu)缺點(diǎn)。通過討論UPS的含義和電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則，并研究了UPS不間斷電源中的PFC電路，以希望提高PFC電路的設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：逆變系統(tǒng)；PFC電路；輸入均流；設(shè)計(jì)探究；UPS

中圖分類號(hào)：TM46 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1.逆變系統(tǒng)

含義：逆變系統(tǒng)包括直流升壓電路，逆變電路，驅(qū)動(dòng)電路，保護(hù)電路以及通信電路等等。逆變器是指將直流轉(zhuǎn)換成交流的換流器，輸入直流可以是低壓輸入或者高壓輸入，通過內(nèi)部直流升壓電路提供高壓直流給逆變電路，逆變電路根據(jù)需求有單相逆變和三相逆變。保護(hù)電路是指防止電流沖擊、電壓沖擊、輸出短路、器件過溫保護(hù)等保護(hù)系統(tǒng)可靠性，避免逆變系統(tǒng)受外部沖擊等影響正常輸出的輔助電路。

2. PFC電路

2.1 作用

PFC的英文全稱是PowerFactorCorrector，意思是功率因數(shù)校正器。隨著開關(guān)電源的普及應(yīng)用，普通的整流電路PF值低，輸入無功功率大，電力效能低，同時(shí)對(duì)市電電網(wǎng)存在較大諧波干擾，影響整個(gè)電網(wǎng)的穩(wěn)定性和高效性，所以對(duì)產(chǎn)品的功率因數(shù)要求越來越高。PFC就是通過主動(dòng)式和被動(dòng)式兩種方式，提高整流電路的PF值，減少無功功率輸入和諧波干擾，減小整流過程中的電能損耗，起到節(jié)能的目的。

2.2 分類

PFC理論上可以分為主動(dòng)式和被動(dòng)式兩種，主動(dòng)式為有源電路控制方式，可以擁有更高的功率因數(shù)（大于0.99），適應(yīng)寬范圍的輸入電壓，但需要專用集成電路進(jìn)行PFC控制，所以產(chǎn)品電路復(fù)雜，成本高昂；被動(dòng)式為無源電路控制方式，功率因數(shù)達(dá)到0.8已經(jīng)是非常好的產(chǎn)品，但是它的優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，成本低廉，穩(wěn)定可靠，缺點(diǎn)是PF值低，體積較大。在一些小功率的開關(guān)電源產(chǎn)品中應(yīng)用廣泛。

2.3 主流PFC控制芯片

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展和電源開關(guān)電源技術(shù)的不斷創(chuàng)新，主流的半導(dǎo)體生產(chǎn)廠家推出各種類型的PFC控制芯片，極大簡(jiǎn)化了PFC控制電路的設(shè)計(jì)，比如TI公司推出的UC系列產(chǎn)品，其中經(jīng)典產(chǎn)品UC3854，還有比如ON公司推出的NCP1654，IR公司推出的IR1150，凌特公司推出的LT1248，仙童公司推出的FAN4810等等產(chǎn)品，隨著PFC控制技術(shù)研究的深入，在新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和新型控制方法的不斷突破和創(chuàng)新，將會(huì)有更多的更好的PFC控制芯片面世。

3. UPS

3.1含義

UPS（Uninterruptible Power System），就是為了解決市電突然掉電或者突變導(dǎo)致設(shè)備損壞而研發(fā)的，通過市電將電能存儲(chǔ)在蓄電池上，通過主機(jī)PFC電路、逆變器等模塊電路將不穩(wěn)定的，質(zhì)量差的市電轉(zhuǎn)換成穩(wěn)壓，波形質(zhì)量好，不間斷地供電給系統(tǒng)設(shè)備。主要用于給單臺(tái)計(jì)算機(jī)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、交通通信設(shè)備或其他電力電子設(shè)備提供穩(wěn)定可靠的、不間斷的電力供應(yīng)。

UPS的最主要功能：穩(wěn)壓輸出，濾除諧波，不間斷供電。在市電電網(wǎng)正常供電時(shí)，UPS通過內(nèi)部的PFC整流控制模塊，電池模塊和逆變模塊的能量轉(zhuǎn)換，消除電網(wǎng)中的脈沖沖擊，諧波干擾和幅值波動(dòng)，起到穩(wěn)壓器和濾波器的作用，保證電力電子設(shè)備可靠穩(wěn)定地運(yùn)行；在市電電網(wǎng)斷電時(shí)，通過電池模塊和逆變模塊提供交流供電給負(fù)載，通過UPS整個(gè)系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，可以做到市電電網(wǎng)掉電時(shí)輸出不掉電，這樣就使電力電子設(shè)備保持正常運(yùn)行狀態(tài)，真正保證了設(shè)備的不間斷運(yùn)行。

3.2 逆變拓?fù)溥x型

隨著不間斷電源技術(shù)的不斷發(fā)展和市場(chǎng)的不斷擴(kuò)大，傳統(tǒng)兩電平結(jié)構(gòu)比如H橋逆變等已經(jīng)無法滿足市場(chǎng)需求，因此具有諧波小、損耗低、效率高等優(yōu)勢(shì)的三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)便應(yīng)運(yùn)而生。

目前針對(duì)三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有很多種，最常見的兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為三電平“I”型和三電平“T”型，兩種拓?fù)浠ビ袃?yōu)勢(shì)。I型三電平電路，每個(gè)管子只承受一半直流電壓，開關(guān)損耗低，而且開關(guān)頻率越高，開關(guān)損耗低的優(yōu)勢(shì)就越明顯；T型三電平電路，主管承受全部直流電壓，鉗位管承受一半直流電壓，對(duì)比I型三電平會(huì)少兩個(gè)元件，同時(shí)控制算法簡(jiǎn)單。

4. UPS不間斷電源中的PFC電路

主動(dòng)式PFC整流的根據(jù)控制的變量不同，可以分為以下4種方式：峰值電流控制；滯環(huán)電流控制；單周期控制技術(shù)；平均電流控制。以上4種方法都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)：峰值電流控制，因?yàn)橹豢刂齐娏鞯姆逯?，與電流平均值誤差較大，THD值存在較大缺陷，同時(shí)對(duì)噪聲的敏感，易產(chǎn)生次諧波振蕩等等缺點(diǎn)，該技術(shù)將逐漸被淘汰；滯環(huán)電流控制，設(shè)置最大電流參考和滯環(huán)回差值，雖然提高了電流控制精度，但是缺點(diǎn)同樣明顯，開關(guān)頻率難于做到恒頻控制，在實(shí)際應(yīng)用不多；單周期控制技術(shù)，該技術(shù)主要特點(diǎn)是反應(yīng)快，精度高，于每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)對(duì)電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，能有效地抑制電源側(cè)的擾動(dòng)，既沒有穩(wěn)態(tài)誤差，也沒有暫態(tài)誤差。單周控制能優(yōu)化系統(tǒng)響應(yīng)、減小畸變和抑制電源干擾，整個(gè)控制系統(tǒng)具有反應(yīng)快、動(dòng)態(tài)特性良好、開關(guān)頻率恒定、易于實(shí)現(xiàn)、抗干擾強(qiáng)、控制電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是需要快速復(fù)位的積分電路。平均電流控制，主要是在峰值電流控制和滯環(huán)電流控制的基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)整，集中了峰值電流控制的恒頻控制優(yōu)點(diǎn)和滯環(huán)電流控制的精度優(yōu)點(diǎn)，可以提供極低輸入THDv和THDi，同時(shí)，簡(jiǎn)化了輸出濾波器的設(shè)計(jì)，且因?yàn)橛须娏骺刂破髯稣{(diào)節(jié)，取的是平均電流，所以提高了系統(tǒng)在噪聲干擾下的穩(wěn)定度和精度。主要缺點(diǎn)是：控制電路復(fù)雜，需檢測(cè)電感電流需電流控制環(huán)路；參考電流與實(shí)際電流的誤差隨著占空比的變化而變化，可能引起低次電流諧波。但目前平均電流控制是應(yīng)用最廣泛、技術(shù)最成熟的PFC控制方式。

5.三相UPS高效前級(jí)PFC設(shè)計(jì)實(shí)例

三相UPS項(xiàng)目后級(jí)采用三路單相T型三電平逆變，通過DSP控制三路逆變輸出相位相差120°構(gòu)成三相逆變輸出；三相UPS前級(jí)采用凌特的LT1248控制芯片，通過三路單相PFC整流電路構(gòu)成三相UPS的PFC電路，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能優(yōu)良。

三相不同輸入的均流問題，系統(tǒng)通過采樣三相的輸入電流，經(jīng)過均流電路，把每相輸入電流和三相平均輸入電流的差值引入到各路的LT1248電流環(huán)中，使得每路的輸入電流保持均衡。

單相PFC整流電路采用單電感雙boost功率拓?fù)?，?jié)省了一個(gè)功率電感，同時(shí)整合整流和升壓電路，電路更簡(jiǎn)潔，成本更低，如圖1所示。

實(shí)際產(chǎn)品開發(fā)應(yīng)用過程中，根據(jù)產(chǎn)品的性能指標(biāo)，安規(guī)和認(rèn)證的要求，需要在輸入增加LC濾波電路，同時(shí)在PFC的工作前需要對(duì)正負(fù)BUS進(jìn)行緩啟動(dòng)處理，防止PFC模塊啟動(dòng)瞬間的沖擊電流損耗器件，同時(shí)為了保證提供給后級(jí)逆變系統(tǒng)平衡的穩(wěn)定的正負(fù)BUS電壓，還需要對(duì)正負(fù)BUS進(jìn)行均壓控制，BUS過壓保護(hù)，這些指標(biāo)要求需要對(duì)正負(fù)BUS電壓采樣并通過硬件處理后送入LT1248的控制環(huán)路，保證每路的PFC功率模塊正常工作，同時(shí)為增加系統(tǒng)可靠性還要加入系統(tǒng)輸入電流過流保護(hù)，功率器件的過溫保護(hù)，IGBT的過流保護(hù)等等措施來滿足產(chǎn)品的規(guī)格設(shè)計(jì)要求。

參考文獻(xiàn)

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