作者@@：陈子颖@@，本文转载自@@： 英飞凌工业半导体微信公众号@@@@
摘要@@
六@@期连载@@，解读@@UPS标准@@，研究线路阻抗对整流电容滤波这类非线性负载的@@影响@@，同时@@讨论针对整流电容滤波这类非线性负载逆变器@@输出特性的@@设计对策和@@测试方法@@。
前几讲的@@讨论是为@@了解决整流电容滤波电路的@@设计问题@@，发现如果滤波电感比较小的@@话@@，波形系数就比较大@@，有效值高@@于平均值的@@@@3倍@@以上@@@@，而峰值电流更是非常大@@。这样的@@负载对电网@@不友好@@，接在逆变器@@输出@@，对容量有限的@@逆变器@@是个挑战@@。所以我们需要研究一下逆变器@@的@@设计策略@@和@@测试评估方法@@。
单相整流电路@@的@@电容滤波负载分析@@
开机冲击电流@@
对于@@单相整流电路@@的@@电容滤波负载开机的@@时@@候@@，由于@@电容中没有储存能量@@，电压为@@零@@，所以第一个周期会出现一个大的@@浪涌电流@@，这对整流电路@@的@@电流应力和@@电网@@的@@冲击都很大@@，在通用变频器设计中一般会有个直流母线电容的@@预充电电路@@，有些整流电路@@设计可以用负温度系数的@@电阻@@抑制开机冲击电流@@@@，难免有不少设计对开机冲击电流@@抑制不力@@。
电流峰值@@
第五讲@@《整流电容滤波负载实例@@@@》中分析了一个类空调的@@单相全桥整流电路@@@@，其平均功率在@@700瓦水平@@，电容取值@@1500uf，当滤波电感为@@@@1mH时@@，二极管上@@峰值电流高@@达@@15.4A，比平均电流@@1.2A高@@12倍@@。这样的@@输入特性功率因数@@低@@，谐波电流大@@，对电网@@非常不友好@@，不能满足@@GB17625.1低压电气及电子@@设备@@发出的@@谐波电流限值@@（设备@@每相输入电流@@≤16A）要求@@。
这样的@@冲击电流和@@峰值电流@@，往往会超过逆变器@@@@150%的@@超载能力@@，也会超过逆变器@@功率开关@@IGBT的@@反向工作安全区@@，即两倍@@的@@器件标称电流@@。
逆变器@@的@@设计策略@@
从一般的@@分析中知道@@，增加线路阻抗@@，能有效降低冲击电流和@@峰值电流@@。由于@@电感上@@的@@电流不能突变@@，串接电感是个好方法@@。但@@对于@@逆变器@@来说@@，还可以从源头解决问题@@，即通过控制环的@@参数设置来降低冲击电流@@。
UPS应用中这一问题最突出@@，尤其单相无输出变压器的@@高@@频机@@，它们面对的@@负载是台式@@PC机或@@服务器@@，开机冲击电流@@大@@，不带@@PFC；早年的@@@@CRT显示器有消磁线圈@@，用正温度系数的@@电阻@@人为@@造成开机冲击消磁电流@@。面对很严酷的@@工况@@，UPS厂商找到@@了一种合理的@@解决方案@@，并制定的@@标准@@@@。方法就是降低@@UPS中逆变器@@的@@瞬态相应@@，把输出特性做软@@，避免输出大电流@@。
这就是@@IEC62040-3:1999《不间断电源设备@@第@@3部分@@：确定性能的@@方法和@@试验要求@@@@》中的@@@@5.3.1规定的@@稳态和@@动态输出电压特性@@。在标准@@里定义了三类动态输出性能@@@@。
逆变器@@的@@瞬态响应@@
最严的@@一类动态输出性能@@@@，规定了在@@UPS在负载突变的@@情况下@@，输出电压允许有@@30%的@@跌落和@@过冲@@，但@@5秒后必须进入电压恢复阶段@@，20毫秒@@（50Hz系统的@@一个周期@@）内恢复到@@@@+/-14%，100毫秒@@内恢复稳态@@+/-10%。这样的@@特性已经有助于降低冲击电流和@@电流峰值@@@@。但@@正弦电压可能有削峰的@@现象@@，一般不影响负载正常工作@@。
图@@1.一类动态输出性能@@
二类动态输出性能@@特性很软@@，在大的@@冲击电流下@@，输出降到@@零@@，以最大程度降低负载对@@UPS中逆变器@@的@@冲击@@，这种短时@@间的@@断电对整流滤波负载几乎没有什么太大影响@@。
图@@2.二类动态输出性能@@
三类动态输出性能@@是为@@后备@@式@@UPS定义的@@@@，由于@@后备@@式有电网@@和@@逆变器@@之间的@@切换时@@间和@@逆变器@@的@@启动时@@间@@。10毫秒@@的@@停电@@，大多数的@@开关电源可以接受@@，但@@用于照明已经可以感受到@@明显的@@间断@@。
图@@3.三类动态输出性能@@
逆变器@@的@@基准非线性负载@@@@@@@@
我们定义的@@@@@@UPS输出瞬态响应特性@@，那就需要有测试方法@@，IEC62040-3除了在正文中规定了阶跃性负载外@@，标准@@还有规范性附录@@《准非线性负载@@》，这是我们讨论的@@整流电容滤波负载很好的@@参考@@。
为@@了模拟一个单相稳态整流@@/电容器负载@@，接到@@@@UPS的@@负载是一个二极管整流桥@@。桥的@@输出侧接有一个电容器@@、电阻@@并联电路@@。总的@@单相负载可按下图@@连接的@@单个负载@@，或@@多个等效并联负载构成@@。
基准非线性负载@@@@
负载配置计算方法@@
U：UPS的@@额定输出电压@@，方均根值@@
f：UPS输出频率@@
Uc：整流电压@@
S：线性负载两端的@@表观功率@@---功率因数@@0.7，即表观功率@@S的@@70%将以有功功率@@消耗在@@R1和@@Rs上@@。
R1:电阻@@，设定其消耗有功功率@@为@@总表观功率@@S的@@66%。
Rs：串联的@@线性电阻@@@@，设定其消耗有功功率@@为@@总表观功率@@S的@@4%。
按照电容器电压@@Uc的@@5%峰谷值纹波电压@@，相应的@@时@@间常数为@@@@R1×C=7.5/f。
根据@@峰值电压@@，电网@@电压畸变@@，电网@@电缆压降和@@整流电压@@的@@纹波@@，整流电压@@平均值@@Uc按经验应为@@@@：
Uc=√2×0.92×0.96×0.975×U=1.22×U
电阻@@Rs、R1和@@电容@@C(单位@@：F)的@@值按下述计算@@：
Rs=0.04×U²/S
R1=Uc²/(0.66×S)
C=7.5/(f×R1)
试验方法@@
基准非线性负载@@@@与@@UPS的@@连接@@
（a) 对于@@33kVA以下的@@单相@@UPS，所用基准非线性负载@@@@的@@表观功率@@S等于@@UPS的@@额定表观功率@@。
（b) 额定值在@@33kVA以上@@的@@单相@@UPS，使用表观功率为@@@@33kVA的@@基准非线性负载@@@@@@，再加上@@线性负载@@，使之达到@@@@UPS的@@额定表观功率@@和@@额定有功功率@@@@@@。
（c) 设计用于三相负载@@，额定值在@@100kVA以下的@@三相@@UPS，应将三个相等的@@单相基准非线性负载@@@@接到@@@@@@UPS相间或@@线间@@。
（d) 额定值在@@100kVA以上@@的@@三相@@UPS，根据@@C)款@@，应使用@@100kVA的@@基准非线性负载@@@@@@，再加上@@线性负载@@，使之达到@@@@UPS额定表观功率和@@额定有功功率@@@@。
实例@@
为@@1000VA UPS设计一个非线性负载@@：
Uc=√2×0.92×0.96×0.975×U=1.22×U=1.22*220=268V
那么@@：
R1=Uc²/(0.66×S)=268²/(0.66*1000)=109 ohm
Rs=0.04×U²/S=0.04x220²/1000=1.9ohm
考虑实验条件@@：
R1=121 ohm
那么@@：
C=7.5/(50×121)=1240 uf
考虑实验条件@@：
C=1210 uf
仿真@@
对于@@整流滤波负载@@，如果没有电感的@@话@@，二极管峰值电流会很大@@，设线路阻性阻抗@@0.1欧姆@@，峰值电流超过@@30A，对电容充电时@@间只有@@1.29毫秒@@，占半周期的@@@@12.9%，这样高@@次谐波电流很大@@，功率因数@@很低@@。从实际负载消耗的@@有功功率@@仅@@746W，而视在功率是@@1687VA，功率因数@@为@@@@0.44。
2欧姆@@线路阻抗是基准非线性负载@@@@规定值@@，峰值电流也高@@达@@13A,但@@实际负载消耗的@@有功功率@@仅@@660W，而视在功率是@@992VA，功率因数@@为@@@@0.67。
市电校正@@
把这一基准非线性负载@@@@接到@@@@@@220V市电上@@去@@@@，由于@@线路实际存在阻性阻抗@@，没有串联@@2欧姆@@的@@@@Rs。实际测到@@峰值电流@@Ipk=22.5A，有效值电流@@为@@@@6.1A。
这时@@视在功率@@1381VA，有功功率@@684W，功率因数@@为@@@@0.5。
逆变器@@负载@@
把这一负载接到@@@@@@1kVA在线式@@UPS上@@去@@，由于@@UPS输出特性比较软@@，绿色的@@电压波形有削顶@@，抑制的@@峰值电流@@（红色@@）到@@Ipk=16.5A，有效值电流@@6.0A,见下测试波形@@。
结论@@
本文是从另外一个角度看整流滤波负载的@@二极管电流@@，了解线路阻抗对峰值电流等的@@影响@@，并做了一个视在功率为@@@@1000W的@@基准非线性负载@@@@@@作为@@实际案例与仿真@@结果进行对照@@。
要降低整流二极管上@@的@@峰值电流@@，提高@@@@整流电路@@的@@功率因数@@@@，使用滤波电抗器是最合理的@@方法@@，这可以有效降低二极管的@@电流应力@@，提高@@@@系统可靠性@@，这在通用变频器等系统设计中要考虑@@。