現(xiàn)代逆變器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)功能及其對功率因數(shù)校正

這是一種較早采用的方案，技術(shù)也比較成熟，其主要優(yōu)點是電路結(jié)構(gòu)簡單，實現(xiàn)較為容易。主要缺點是電能經(jīng)過三級變換，降低了逆變器的可靠性和效率；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(yīng)用場合產(chǎn)生了限制。比如鐵路用逆變器和航空用逆變器等多個重要的逆變器應(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，而且逆變器的效率會進(jìn)一步降低，一般不會超過80%。
2. 三級構(gòu)成方案Ⅱ。其結(jié)構(gòu)如圖4所示。第一級是PFC級，其結(jié)構(gòu)功能與三級構(gòu)成方案Ⅰ中的PFC電路相同。第二級是DC-DC級，用來調(diào)節(jié)PFC輸出電壓和實現(xiàn)電氣隔離。第三級是DC-AC模塊，其結(jié)構(gòu)功能與三級構(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 三級構(gòu)成方案Ⅱ主電路框圖
這種方案的主要優(yōu)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(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，適用于各種功率場合，效率較三級構(gòu)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(shù)目和控制電路的復(fù)雜性；由于電能同樣經(jīng)過三級變換，使得逆變器的可靠性和效率仍然不能令人滿意。
3.兩級構(gòu)成方案。 針對以上兩種方案的不足，人們提出了一種兩級構(gòu)成方案。該方案將三級構(gòu)成方案Ⅱ中的前兩級合并為一級，使PFC和DC-DC級共用開關(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，實現(xiàn)電氣隔離,如圖5所示。這種方案保持了三級構(gòu)成方案Ⅱ中的優(yōu)點，而且改進(jìn)了三級構(gòu)成方案Ⅱ的不足之處。總之，可靠性高、效率高、成本低是這種逆變器構(gòu)成方案最顯著的優(yōu)點。



圖5 典型的單級PFC變換器電路圖

圖6 兩級逆變器構(gòu)成方案主電路框圖
4 結(jié)論
將這三種逆變器的構(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，來作為逆變級的輸入。由于單級PFC電路將PFC級和DC-DC級結(jié)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(diào)節(jié)功能，因此非常適用于逆變電源的前級整流環(huán)節(jié)。采用單級PFC電路的逆變器具有更高的可靠性，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(shù)成為電力電子領(lǐng)域研究的一個熱門課題。
盡管單級PFC電路具有上述優(yōu)點，但是與傳統(tǒng)的兩級式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PFC電路在逆變電源系統(tǒng)中具有了更廣闊的應(yīng)用前景。