【導讀】六期連載，解讀UPS標準，研究線(xiàn)路阻抗對整流電容濾波這類(lèi)非線(xiàn)性負載的影響，同時(shí)討論針對整流電容濾波這類(lèi)非線(xiàn)性負載逆變器輸出特性的設計對策和測試方法。
前幾講的討論是為了解決整流電容濾波電路的設計問(wèn)題，發(fā)現如果濾波電感比較小的話(huà)，波形系數就比較大，有效值高于平均值的3倍以上，而峰值電流更是非常大。這樣的負載對電網(wǎng)不友好，接在逆變器輸出，對容量有限的逆變器是個(gè)挑戰。所以我們需要研究一下逆變器的設計策略和測試評估方法。
單相整流電路的電容濾波負載分析
開(kāi)機沖擊電流
對于單相整流電路的電容濾波負載開(kāi)機的時(shí)候，由于電容中沒(méi)有儲存能量，電壓為零，所以第一個(gè)周期會(huì )出現一個(gè)大的浪涌電流，這對整流電路的電流應力和電網(wǎng)的沖擊都很大，在通用變頻器設計中一般會(huì )有個(gè)直流母線(xiàn)電容的預充電電路，有些整流電路設計可以用負溫度系數的電阻抑制開(kāi)機沖擊電流，難免有不少設計對開(kāi)機沖擊電流抑制不力。
電流峰值
第五講《整流電容濾波負載實(shí)例》中分析了一個(gè)類(lèi)空調的單相全橋整流電路，其平均功率在700瓦水平，電容取值1500uf，當濾波電感為1mH時(shí)，二極管上峰值電流高達15.4A，比平均電流1.2A高12倍。這樣的輸入特性功率因數低，諧波電流大，對電網(wǎng)非常不友好，不能滿(mǎn)足GB17625.1低壓電氣及電子設備發(fā)出的諧波電流限值（設備每相輸入電流≤16A）要求。
這樣的沖擊電流和峰值電流，往往會(huì )超過(guò)逆變器150%的超載能力，也會(huì )超過(guò)逆變器功率開(kāi)關(guān)IGBT的反向工作安全區，即兩倍的器件標稱(chēng)電流。
逆變器的設計策略
從一般的分析中知道，增加線(xiàn)路阻抗，能有效降低沖擊電流和峰值電流。由于電感上的電流不能突變，串接電感是個(gè)好方法。但對于逆變器來(lái)說(shuō)，還可以從源頭解決問(wèn)題，即通過(guò)控制環(huán)的參數設置來(lái)降低沖擊電流。
UPS應用中這一問(wèn)題最突出，尤其單相無(wú)輸出變壓器的高頻機，它們面對的負載是臺式PC機或服務(wù)器，開(kāi)機沖擊電流大，不帶PFC；早年的CRT顯示器有消磁線(xiàn)圈，用正溫度系數的電阻人為造成開(kāi)機沖擊消磁電流。面對很?chē)揽岬墓r，UPS廠(chǎng)商找到了一種合理的解決方案，并制定的標準。方法就是降低UPS中逆變器的瞬態(tài)相應，把輸出特性做軟，避免輸出大電流。
這就是IEC62040-3:1999《不間斷電源設備第3部分：確定性能的方法和試驗要求》中的5.3.1規定的穩態(tài)和動(dòng)態(tài)輸出電壓特性。在標準里定義了三類(lèi)動(dòng)態(tài)輸出性能。
逆變器的瞬態(tài)響應
最嚴的一類(lèi)動(dòng)態(tài)輸出性能，規定了在UPS在負載突變的情況下，輸出電壓允許有30%的跌落和過(guò)沖，但5秒后必須進(jìn)入電壓恢復階段，20毫秒（50Hz系統的一個(gè)周期）內恢復到+/-14%，100毫秒內恢復穩態(tài)+/-10%。這樣的特性已經(jīng)有助于降低沖擊電流和電流峰值。但正弦電壓可能有削峰的現象，一般不影響負載正常工作。
圖1.一類(lèi)動(dòng)態(tài)輸出性能
二類(lèi)動(dòng)態(tài)輸出性能特性很軟，在大的沖擊電流下，輸出降到零，以最大程度降低負載對UPS中逆變器的沖擊，這種短時(shí)間的斷電對整流濾波負載幾乎沒(méi)有什么太大影響。
圖2.二類(lèi)動(dòng)態(tài)輸出性能
三類(lèi)動(dòng)態(tài)輸出性能是為后備式UPS定義的，由于后備式有電網(wǎng)和逆變器之間的切換時(shí)間和逆變器的啟動(dòng)時(shí)間。10毫秒的停電，大多數的開(kāi)關(guān)電源可以接受，但用于照明已經(jīng)可以感受到明顯的間斷。
圖3.三類(lèi)動(dòng)態(tài)輸出性能
逆變器的基準非線(xiàn)性負載
我們定義的UPS輸出瞬態(tài)響應特性，那就需要有測試方法，IEC62040-3除了在正文中規定了階躍性負載外，標準還有規范性附錄《準非線(xiàn)性負載》，這是我們討論的整流電容濾波負載很好的參考。
為了模擬一個(gè)單相穩態(tài)整流/電容器負載，接到UPS的負載是一個(gè)二極管整流橋。橋的輸出側接有一個(gè)電容器、電阻并聯(lián)電路?？偟膯蜗嘭撦d可按下圖連接的單個(gè)負載，或多個(gè)等效并聯(lián)負載構成。
基準非線(xiàn)性負載
負載配置計算方法
U：UPS的額定輸出電壓，方均根值
f：UPS輸出頻率
Uc：整流電壓
S：線(xiàn)性負載兩端的表觀(guān)功率---功率因數0.7，即表觀(guān)功率S的70%將以有功功率消耗在R1和Rs上。
R1:電阻，設定其消耗有功功率為總表觀(guān)功率S的66%。
Rs：串聯(lián)的線(xiàn)性電阻，設定其消耗有功功率為總表觀(guān)功率S的4%。
按照電容器電壓Uc的5%峰谷值紋波電壓，相應的時(shí)間常數為R1×C=7.5/f。
根據峰值電壓，電網(wǎng)電壓畸變，電網(wǎng)電纜壓降和整流電壓的紋波，整流電壓平均值Uc按經(jīng)驗應為：
電阻Rs、R1和電容C(單位：F)的值按下述計算：
試驗方法
基準非線(xiàn)性負載與UPS的連接
（a) 對于33kVA以下的單相UPS，所用基準非線(xiàn)性負載的表觀(guān)功率S等于UPS的額定表觀(guān)功率。
（b) 額定值在33kVA以上的單相UPS，使用表觀(guān)功率為33kVA的基準非線(xiàn)性負載，再加上線(xiàn)性負載，使之達到UPS的額定表觀(guān)功率和額定有功功率。
（c) 設計用于三相負載，額定值在100kVA以下的三相UPS，應將三個(gè)相等的單相基準非線(xiàn)性負載接到UPS相間或線(xiàn)間。
（d) 額定值在100kVA以上的三相UPS，根據C)款，應使用100kVA的基準非線(xiàn)性負載，再加上線(xiàn)性負載，使之達到UPS額定表觀(guān)功率和額定有功功率。
實(shí)例
為1000VA UPS設計一個(gè)非線(xiàn)性負載：
那么：
考慮實(shí)驗條件：
那么：
考慮實(shí)驗條件：
仿真
對于整流濾波負載，如果沒(méi)有電感的話(huà)，二極管峰值電流會(huì )很大，設線(xiàn)路阻性阻抗0.1歐姆，峰值電流超過(guò)30A，對電容充電時(shí)間只有1.29毫秒，占半周期的12.9%，這樣高次諧波電流很大，功率因數很低。從實(shí)際負載消耗的有功功率僅746W，而視在功率是1687VA，功率因數為0.44。
2歐姆線(xiàn)路阻抗是基準非線(xiàn)性負載規定值，峰值電流也高達13A,但實(shí)際負載消耗的有功功率僅660W，而視在功率是992VA，功率因數為0.67。
市電校正
把這一基準非線(xiàn)性負載接到220V市電上去，由于線(xiàn)路實(shí)際存在阻性阻抗，沒(méi)有串聯(lián)2歐姆的Rs。實(shí)際測到峰值電流Ipk=22.5A，有效值電流為6.1A。
這時(shí)視在功率1381VA，有功功率684W，功率因數為0.5。
逆變器負載
把這一負載接到1kVA在線(xiàn)式UPS上去，由于UPS輸出特性比較軟，綠色的電壓波形有削頂，抑制的峰值電流（紅色）到Ipk=16.5A，有效值電流6.0A,見(jiàn)下測試波形。
結論
本文是從另外一個(gè)角度看整流濾波負載的二極管電流，了解線(xiàn)路阻抗對峰值電流等的影響，并做了一個(gè)視在功率為1000W的基準非線(xiàn)性負載作為實(shí)際案例與仿真結果進(jìn)行對照。
要降低整流二極管上的峰值電流，提高整流電路的功率因數，使用濾波電抗器是最合理的方法，這可以有效降低二極管的電流應力，提高系統可靠性，這在通用變頻器等系統設計中要考慮。
來(lái)源：英飛凌工業(yè)半導體
原創(chuàng )：陳子穎
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