逆變系統高效前級直流電源PFC電路的分析和設計探究實踐

王志軍

摘 要：本文分析了逆變系統的含義，并探究了PFC電路和指出了PFC主流控制方法的優缺點。通過討論UPS的含義和電路系統設計原則，并研究了UPS不間斷電源中的PFC電路，以希望提高PFC電路的設計。

關鍵詞：逆變系統；PFC電路；輸入均流；設計探究；UPS

中圖分類號：TM46 文獻標識碼：A

1.逆變系統

含義：逆變系統包括直流升壓電路，逆變電路，驅動電路，保護電路以及通信電路等等。逆變器是指將直流轉換成交流的換流器，輸入直流可以是低壓輸入或者高壓輸入，通過內部直流升壓電路提供高壓直流給逆變電路，逆變電路根據需求有單相逆變和三相逆變。保護電路是指防止電流沖擊、電壓沖擊、輸出短路、器件過溫保護等保護系統可靠性，避免逆變系統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，意思是功率因數校正器。隨著開關電源的普及應用，普通的整流電路PF值低，輸入無功功率大，電力效能低，同時對市電電網存在較大諧波干擾，影響整個電網的穩定性和高效性，所以對產品的功率因數要求越來越高。PFC就是通過主動式和被動式兩種方式，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，起到節能的目的。

2.2 分類

PFC理論上可以分為主動式和被動式兩種，主動式為有源電路控制方式，可以擁有更高的功率因數（大于0.99），適應寬范圍的輸入電壓，但需要專用集成電路進行PFC控制，所以產品電路復雜，成本高昂；被動式為無源電路控制方式，功率因數達到0.8已經是非常好的產品，但是它的優點是電路簡單，成本低廉，穩定可靠，缺點是PF值低，體積較大。在一些小功率的開關電源產品中應用廣泛。

2.3 主流PFC控制芯片

隨著半導體技術的發展和電源開關電源技術的不斷創新，主流的半導體生產廠家推出各種類型的PFC控制芯片，極大簡化了PFC控制電路的設計，比如TI公司推出的UC系列產品，其中經典產品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等等產品，隨著PFC控制技術研究的深入，在新型拓撲結構和新型控制方法的不斷突破和創新，將會有更多的更好的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致設備損壞而研發的，通過市電將電能存儲在蓄電池上，通過主機PFC電路、逆變器等模塊電路將不穩定的，質量差的市電轉換成穩壓，波形質量好，不間斷地供電給系統設備。主要用于給單臺計算機、計算機網絡系統、交通通信設備或其他電力電子設備提供穩定可靠的、不間斷的電力供應。

UPS的最主要功能：穩壓輸出，濾除諧波，不間斷供電。在市電電網正常供電時，UPS通過內部的PFC整流控制模塊，電池模塊和逆變模塊的能量轉換，消除電網中的脈沖沖擊，諧波干擾和幅值波動，起到穩壓器和濾波器的作用，保證電力電子設備可靠穩定地運行；在市電電網斷電時，通過電池模塊和逆變模塊提供交流供電給負載，通過UPS整個系統的控制系統，可以做到市電電網掉電時輸出不掉電，這樣就使電力電子設備保持正常運行狀態，真正保證了設備的不間斷運行。

3.2 逆變拓撲選型

隨著不間斷電源技術的不斷發展和市場的不斷擴大，傳統兩電平結構比如H橋逆變等已經無法滿足市場需求，因此具有諧波小、損耗低、效率高等優勢的三電平拓撲結構便應運而生。

目前針對三電平拓撲結構有很多種，最常見的兩種拓撲結構為三電平“I”型和三電平“T”型，兩種拓撲互有優勢。I型三電平電路，每個管子只承受一半直流電壓，開關損耗低，而且開關頻率越高，開關損耗低的優勢就越明顯；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，對比I型三電平會少兩個元件，同時控制算法簡單。

4. UPS不間斷電源中的PFC電路

主動式PFC整流的根據控制的變量不同，可以分為以下4種方式：峰值電流控制；滯環電流控制；單周期控制技術；平均電流控制。以上4種方法都有各自的優缺點：峰值電流控制，因為只控制電流的峰值，與電流平均值誤差較大，THD值存在較大缺陷，同時對噪聲的敏感，易產生次諧波振蕩等等缺點，該技術將逐漸被淘汰；滯環電流控制，設置最大電流參考和滯環回差值，雖然提高了電流控制精度，但是缺點同樣明顯，開關頻率難于做到恒頻控制，在實際應用不多；單周期控制技術，該技術主要特點是反應快，精度高，于每個開關周期內對電流進行調節，能有效地抑制電源側的擾動，既沒有穩態誤差，也沒有暫態誤差。單周控制能優化系統響應、減小畸變和抑制電源干擾，整個控制系統具有反應快、動態特性良好、開關頻率恒定、易于實現、抗干擾強、控制電路簡單等優點。缺點是需要快速復位的積分電路。平均電流控制，主要是在峰值電流控制和滯環電流控制的基礎上進行調整，集中了峰值電流控制的恒頻控制優點和滯環電流控制的精度優點，可以提供極低輸入THDv和THDi，同時，簡化了輸出濾波器的設計，且因為有電流控制器做調節，取的是平均電流，所以提高了系統在噪聲干擾下的穩定度和精度。主要缺點是：控制電路復雜，需檢測電感電流需電流控制環路；參考電流與實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用最廣泛、技術最成熟的PFC控制方式。

5.三相UPS高效前級PFC設計實例

三相UPS項目后級采用三路單相T型三電平逆變，通過DSP控制三路逆變輸出相位相差120°構成三相逆變輸出；三相UPS前級采用凌特的LT1248控制芯片，通過三路單相PFC整流電路構成三相UPS的PFC電路，電路結構簡單，性能優良。

三相不同輸入的均流問題，系統通過采樣三相的輸入電流，經過均流電路，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功率拓撲，節省了一個功率電感，同時整合整流和升壓電路，電路更簡潔，成本更低，如圖1所示。

實際產品開發應用過程中，根據產品的性能指標，安規和認證的要求，需要在輸入增加LC濾波電路，同時在PFC的工作前需要對正負BUS進行緩啟動處理，防止PFC模塊啟動瞬間的沖擊電流損耗器件，同時為了保證提供給后級逆變系統平衡的穩定的正負BUS電壓，還需要對正負BUS進行均壓控制，BUS過壓保護，這些指標要求需要對正負BUS電壓采樣并通過硬件處理后送入LT1248的控制環路，保證每路的PFC功率模塊正常工作，同時為增加系統可靠性還要加入系統輸入電流過流保護，功率器件的過溫保護，IGBT的過流保護等等措施來滿足產品的規格設計要求。

參考文獻

[1]楊成林，陳敏，徐德鴻.三相功率因數校正（PFC）技術的綜述（1）[J].電源技術應用，2002（8）：50-55.

[2]楊成林，陳敏，徐德鴻.三相功率因數校正（PFC）技術的綜述（2）[J].電源技術應用，2002（9）：50-55.

[3]張方軍.逆變系統高效前級直流電源PFC電路的分析和設計[J].機電工程，2006，23（4）：24-26.