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现代逆变器系统的结构功能及其对功率因数校正

作者:时间:2011-12-14来源:网络收藏

这是一种较早采用的方案,技术也比较成熟,其主要优点是电路简单,实现较为容易。主要缺点是电能经过三级变换,降低了的可靠性和效率;工频隔离变压器体积庞大、笨重、耗费材料多;PFC级的输出,即DC-AC的输入为400V左右的高压直流电,这就对许多需要逆变级具有低压输入的应用场合产生了限制。比如铁路用和航空用等多个重要的逆变器应用领域都需要110V的正弦交流电输出,若采用这种构成方案,则不仅可靠性难以得到保证,而且逆变器的效率会进一步降低,一般不会超过80%。
2. 三级构成方案Ⅱ。其如图4所示。第一级是PFC级,其与三级构成方案Ⅰ中的PFC电路相同。第二级是DC-DC级,用来调节PFC输出电压和实现电气隔离。第三级是DC-AC模块,其结构与三级构成方案Ⅰ中的DC-AC电路相同。这是目前应用较多的一种方案,是中大应用的最佳选择。


图4 三级构成方案Ⅱ主电路框图
这种方案的主要优点是去掉了笨重庞大的工频变压器;每一级均有各自的控制环节,使得该电路具有良好的性能;DC-AC的输入电压可根据逆变输出的不同要求进行调整,适用于各种场合,效率较三级构成方案Ⅰ有所提高。缺点是各级都需要一套独立的控制电路,增加了器件数目和控制电路的复杂性;由于电能同样经过三级变换,使得逆变器的可靠性和效率仍然不能令人满意。
3.两级构成方案。 针对以上两种方案的不足,人们提出了一种两级构成方案。该方案将三级构成方案Ⅱ中的前两级合并为一级,使PFC和DC-DC级共用开关管和控制电路(如图5所示),并通过高频变压器得到可调PFC输出直流电压,实现电气隔离,如图5所示。这种方案保持了三级构成方案Ⅱ中的优点,而且改进了三级构成方案Ⅱ的不足之处。总之,可靠性高、效率高、成本低是这种逆变器构成方案最显著的优点。



图5 典型的单级PFC变换器电路图

图6 两级逆变器构成方案主电路框图
4 结论
将这三种逆变器的构成方案进行比较后不难发现,它们的逆变部分结构和完全相同,区别仅在于整流环节,即通过不同方法产生经隔离和后的(可调)直流电压,来作为逆变级的输入。由于单级PFC电路将PFC级和DC-DC级结合在一起,能量只被处理一次,用一个控制器就能完成输入PFC和输出电压调节功能,因此非常适用于逆变电源的前级整流环节。采用单级PFC电路的逆变器具有更高的可靠性,更高的效率和更低的成本。所以,带单级PFC电路的两级逆变技术成为电力电子领域研究的一个热门课题。
尽管单级PFC电路具有上述优点,但是与传统的两级式PFC变换器相比,它要承受更高的电压应力,有更多的功率损耗。这些问题在开关频率较高时显得尤为突出,影响了变换器工作的可靠性和开关频率的进一步提高,也限制了其在大功率场合的应用。为此,近些年又提出了各种软开关技术,如零电流开关(ZCS)、零电压开关(ZVS)、零电压转换-脉宽调制(ZVT-PWM)、零电流转换-脉宽调制(ZCT-PWM)等,有效地解决了这些问题,使得单级PFC电路在逆变电源中具有了更广阔的应用前景。


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