母线电容纹波抑制方法
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2 2 iINV (t ) c0 cn dn sin(n t n ) n 1
c0
1 T iPFC (t )dt T 0
cn
2 T iPFC (t ) cos n t dt T 0
2 T d n iPFC (t ) sin n t dt T 0
百度文库16
三、BUS电压纹波的抑制
• 成本初步评估 减少：电容两个（210*2 RMB） 增加：一个电感由T300-8D和T300-8组成 （180 RMB） ； 4只IGBT，型号IRGPS60B120KD （40*4 RMB）； 一个Tamura 100A的HCT (56 RMB)； IGBT的驱动电路(<20 RMB) 成本：在不考虑散热片情况下，成本基本持 平
• 结合具体机型可以得到如下结论： ①如果三相输入平衡，三相输出也平衡 （3A3），BUS纹波可以很小，如果是阻性负 载，BUS电压纹波主要由谐波电流通过ESR引 起； ②如果三相输出不平衡， 3A1 极端情况下， BUS电压纹波的大小取决于输出负载电流的大 小； ③对于单进单出，BUS电压纹波也很小。
UPS中BUS电压纹波产生及 抑制分析
彭世东 林新春 山特技术研究中心 2005/06/25
1
• 提纲：
一、问题提出 二、BUS电压纹波产生分析 三、BUS电压纹波抑制策略 四、 BUS电压纹波对BUS电容寿命的影响
2
一、问题提出
• 三进单出（3A1）UPS中，由于输出 （单相）相对输入（三相）的不对称， BUS电容有周期性的较大的充放电，导 致BUS电压纹波较大。 • 影响UPS的性能 • 增加BUS电容的损耗
3
二、BUS电压纹波的产生
图1 半桥逆变简图
4
二、BUS电压纹波的产生
首先分析一下逆变电感电流、PFC输入电流与 BUS电压纹波间的关系。如图1所示，理想情 况下对于+BUS有： （1） iINV ic iPFC
ic dVc C dt
（2）
可以导出：
1 t Vc (iPFC iINV )dt Const （3） C 0
为此还需要知道 n次谐波处的ESR。 下表是常温下测到的型号为 ALS30A 472 NJ 450的 ESR，也是3A1-15KVA采用的BUS电容。 图10是根据这个表作的拟合曲线。
25
四、BUS电压纹波对BUS电容寿命的影响
表1
26
四、BUS电压纹波对BUS电容寿命的影响
图10 ESR拟合曲线
0.012
0.014
0.016
0.018 0.02
10
二、BUS电压纹波的产生
图4 3A1带R满载时的BUS电压波形
11
三、BUS电压纹波的抑制
根据以上分析，要减小BUS电压的纹波，关键是要减 小等式（4）中右边积分相中的 iPFC iINV ，为此在原 有架构中加入有源滤波网络
图5 加滤波网络后的结构简图
5
二、BUS电压纹波的产生
上式中，等式右边的Const是一常数； 1 +BUS电压纹波由 C (i i )dt决定，上 式表明： +BUS电压纹波大小与电容成反比;与 iPFC iINV 的幅值成正比。 另一部分是由谐波电流通过ESR产生， 但这部分很小。
t 0 PFC INV
8
二、BUS电压纹波的产生
一个实例
现有3A1-15KVA机型中，单边BUS电容 为 C 4700 2 F ，满载情况带R载总 功率为12KW
9
二、BUS电压纹波的产生
27.619 30
20
V( t ( i) ) 10
0
1.28 10
0 0
0.002
0.004
0.006
0.008
0.01 t ( i)
n tg 1
1 2 2 cn dn 2
cn dn
N次谐波有效值：
I PFCn
24
2 2 Rn ( I INVn I PFCn ) n 1
四、BUS电压纹波对BUS电容寿命的影响
电流谐波在ESR上产生的最大损耗为：
2 2 Ptotal Rn ( I INVn I PFCn ) n 1
27
四、BUS电压纹波对BUS电容寿命的影响
以下是几组计算的数据，RL载的功率因数为0.8。
3A3情况下，单边BUS电容为4700µ F： RL载：5.89W RCD载：10.686W
28
四、BUS电压纹波对BUS电容寿命的影响
3A1在单边BUS电容为4700 µ F的情况下PFC引起的损 耗： 带RL载情况下为1.502W 带RCD载PFC损耗为1.23W • 结论： 在没有通过滤波网络降低BUS电压纹波情况下， 电容加倍，每只电容的功耗降为1/4，总功耗降一半； 降低BUS电压纹波，大大降低了由ESR引起的损耗； BUS电容吸收PFC电流谐波引起的损耗远低于由逆变 电流谐波引起的损耗；3A1的损耗比3A3的损耗大得 多。
6
二、BUS电压纹波的产生
• 综合上述分析可以用一个表达式表示BUS电压 纹波：
1 t Vc (iPFC iINV )dt Const Rn in C 0 n 1
（4）
其中
lim in 0
n
lim Rn 0
n
7
二、BUS电压纹波的产生
17
四、BUS电压纹波对BUS电容寿命的影响
• 谐波电流流过电容ESR发热，影响 BUS电容寿命。 • 流过BUS电容的谐波电流包括PFC 输入BUS电容谐波电流与BUS电容 向逆变输出提供的电流谐波。
18
四、BUS电压纹波对BUS电容寿命的影响
首先考虑逆变电感电流在+BUS电容上 产生的谐波。 • 对于逆变输出正半周，+BUS电容通过 开关管开启为逆变电感提供电流脉冲。 • 逆变负半周，逆变电感电流通过正边二 极管续流到+BUS电容。
29
30
19
四、BUS电压纹波对BUS电容寿命的影响
图8 正BUS电容为逆变提供的电流示意图
20
四、BUS电压纹波对BUS电容寿命的影响
正BUS电容为逆变提供的电流就是三相电流 的叠加，设 iINV (t ) 是叠加电流，而且显然是个 周期函数，可以用三角级数表示：
2 2 iINV (t ) a0 an bn sin(n t n ) n 1
21
四、BUS电压纹波对BUS电容寿命的影响
• PFC输入到+BUS电容的电流是通过正边 续流二极管的高频电流脉冲。
22
四、BUS电压纹波对BUS电容寿命的影响
图9 PFC输入正BUS的电流示意图
23
四、BUS电压纹波对BUS电容寿命的影响
PFC输入正BUS电容的电流是三项电流的叠加，设 iPFC (t )是叠加电流，是周期函数，用三角级数展开有：
a0
1 T iINV (t )dt 0 T
2 T bn iINV (t ) sin n t dt T 0
2 T iINV (t ) cos n t dt 0 T a n tg 1 n bn an
N次谐波电流有效值：
I INVn
1 2 2 an bn 2
12
三、BUS电压纹波的抑制
由图5对+BUS部分列方程经推导可得：
1 t Vc (iL (iINV iPFC ))dt Const C 0
只要将 iL 控制得与 iINV iPFC 尽量相等， +BUS电压纹波就可以被抑制。
13
三、BUS电压纹波的抑制
为证实提出方法的有效性，做了一下仿真。图5是仿 真的主电路架构。
图6 有源滤波网络抑制BUS纹波的仿真电路简图
14
三、BUS电压纹波的抑制
图6 没有滤波网络时BUS电压纹波 单边BUS电压纹波波峰到波谷有16V左右
15
三、BUS电压纹波的抑制
图7 加入滤波网络后BUS纹波电压 可以看出单边BUS纹波电压波峰到波谷 幅值最大为3.5V左右
c0
1 T iPFC (t )dt T 0
cn
2 T iPFC (t ) cos n t dt T 0
2 T d n iPFC (t ) sin n t dt T 0
百度文库16
三、BUS电压纹波的抑制
• 成本初步评估 减少：电容两个（210*2 RMB） 增加：一个电感由T300-8D和T300-8组成 （180 RMB） ； 4只IGBT，型号IRGPS60B120KD （40*4 RMB）； 一个Tamura 100A的HCT (56 RMB)； IGBT的驱动电路(<20 RMB) 成本：在不考虑散热片情况下，成本基本持 平
• 结合具体机型可以得到如下结论： ①如果三相输入平衡，三相输出也平衡 （3A3），BUS纹波可以很小，如果是阻性负 载，BUS电压纹波主要由谐波电流通过ESR引 起； ②如果三相输出不平衡， 3A1 极端情况下， BUS电压纹波的大小取决于输出负载电流的大 小； ③对于单进单出，BUS电压纹波也很小。
UPS中BUS电压纹波产生及 抑制分析
彭世东 林新春 山特技术研究中心 2005/06/25
1
• 提纲：
一、问题提出 二、BUS电压纹波产生分析 三、BUS电压纹波抑制策略 四、 BUS电压纹波对BUS电容寿命的影响
2
一、问题提出
• 三进单出（3A1）UPS中，由于输出 （单相）相对输入（三相）的不对称， BUS电容有周期性的较大的充放电，导 致BUS电压纹波较大。 • 影响UPS的性能 • 增加BUS电容的损耗
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二、BUS电压纹波的产生
图1 半桥逆变简图
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二、BUS电压纹波的产生
首先分析一下逆变电感电流、PFC输入电流与 BUS电压纹波间的关系。如图1所示，理想情 况下对于+BUS有： （1） iINV ic iPFC
ic dVc C dt
（2）
可以导出：
1 t Vc (iPFC iINV )dt Const （3） C 0
为此还需要知道 n次谐波处的ESR。 下表是常温下测到的型号为 ALS30A 472 NJ 450的 ESR，也是3A1-15KVA采用的BUS电容。 图10是根据这个表作的拟合曲线。
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四、BUS电压纹波对BUS电容寿命的影响
表1
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四、BUS电压纹波对BUS电容寿命的影响
图10 ESR拟合曲线
0.012
0.014
0.016
0.018 0.02
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二、BUS电压纹波的产生
图4 3A1带R满载时的BUS电压波形
11
三、BUS电压纹波的抑制
根据以上分析，要减小BUS电压的纹波，关键是要减 小等式（4）中右边积分相中的 iPFC iINV ，为此在原 有架构中加入有源滤波网络
图5 加滤波网络后的结构简图
5
二、BUS电压纹波的产生
上式中，等式右边的Const是一常数； 1 +BUS电压纹波由 C (i i )dt决定，上 式表明： +BUS电压纹波大小与电容成反比;与 iPFC iINV 的幅值成正比。 另一部分是由谐波电流通过ESR产生， 但这部分很小。
t 0 PFC INV
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二、BUS电压纹波的产生
一个实例
现有3A1-15KVA机型中，单边BUS电容 为 C 4700 2 F ，满载情况带R载总 功率为12KW
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二、BUS电压纹波的产生
27.619 30
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V( t ( i) ) 10
0
1.28 10
0 0
0.002
0.004
0.006
0.008
0.01 t ( i)
n tg 1
1 2 2 cn dn 2
cn dn
N次谐波有效值：
I PFCn
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2 2 Rn ( I INVn I PFCn ) n 1
四、BUS电压纹波对BUS电容寿命的影响
电流谐波在ESR上产生的最大损耗为：
2 2 Ptotal Rn ( I INVn I PFCn ) n 1
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四、BUS电压纹波对BUS电容寿命的影响
以下是几组计算的数据，RL载的功率因数为0.8。
3A3情况下，单边BUS电容为4700µ F： RL载：5.89W RCD载：10.686W
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四、BUS电压纹波对BUS电容寿命的影响
3A1在单边BUS电容为4700 µ F的情况下PFC引起的损 耗： 带RL载情况下为1.502W 带RCD载PFC损耗为1.23W • 结论： 在没有通过滤波网络降低BUS电压纹波情况下， 电容加倍，每只电容的功耗降为1/4，总功耗降一半； 降低BUS电压纹波，大大降低了由ESR引起的损耗； BUS电容吸收PFC电流谐波引起的损耗远低于由逆变 电流谐波引起的损耗；3A1的损耗比3A3的损耗大得 多。
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二、BUS电压纹波的产生
• 综合上述分析可以用一个表达式表示BUS电压 纹波：
1 t Vc (iPFC iINV )dt Const Rn in C 0 n 1
（4）
其中
lim in 0
n
lim Rn 0
n
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二、BUS电压纹波的产生
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四、BUS电压纹波对BUS电容寿命的影响
• 谐波电流流过电容ESR发热，影响 BUS电容寿命。 • 流过BUS电容的谐波电流包括PFC 输入BUS电容谐波电流与BUS电容 向逆变输出提供的电流谐波。
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四、BUS电压纹波对BUS电容寿命的影响
首先考虑逆变电感电流在+BUS电容上 产生的谐波。 • 对于逆变输出正半周，+BUS电容通过 开关管开启为逆变电感提供电流脉冲。 • 逆变负半周，逆变电感电流通过正边二 极管续流到+BUS电容。
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四、BUS电压纹波对BUS电容寿命的影响
图8 正BUS电容为逆变提供的电流示意图
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四、BUS电压纹波对BUS电容寿命的影响
正BUS电容为逆变提供的电流就是三相电流 的叠加，设 iINV (t ) 是叠加电流，而且显然是个 周期函数，可以用三角级数表示：
2 2 iINV (t ) a0 an bn sin(n t n ) n 1
21
四、BUS电压纹波对BUS电容寿命的影响
• PFC输入到+BUS电容的电流是通过正边 续流二极管的高频电流脉冲。
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四、BUS电压纹波对BUS电容寿命的影响
图9 PFC输入正BUS的电流示意图
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四、BUS电压纹波对BUS电容寿命的影响
PFC输入正BUS电容的电流是三项电流的叠加，设 iPFC (t )是叠加电流，是周期函数，用三角级数展开有：
a0
1 T iINV (t )dt 0 T
2 T bn iINV (t ) sin n t dt T 0
2 T iINV (t ) cos n t dt 0 T a n tg 1 n bn an
N次谐波电流有效值：
I INVn
1 2 2 an bn 2
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三、BUS电压纹波的抑制
由图5对+BUS部分列方程经推导可得：
1 t Vc (iL (iINV iPFC ))dt Const C 0
只要将 iL 控制得与 iINV iPFC 尽量相等， +BUS电压纹波就可以被抑制。
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三、BUS电压纹波的抑制
为证实提出方法的有效性，做了一下仿真。图5是仿 真的主电路架构。
图6 有源滤波网络抑制BUS纹波的仿真电路简图
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三、BUS电压纹波的抑制
图6 没有滤波网络时BUS电压纹波 单边BUS电压纹波波峰到波谷有16V左右
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三、BUS电压纹波的抑制
图7 加入滤波网络后BUS纹波电压 可以看出单边BUS纹波电压波峰到波谷 幅值最大为3.5V左右