电力电子中的有源和无源

Posted 2023-03-06 bobuddy

有源和无源分别由英文单词Active和Passive翻译而来，Active表示活跃、主动、可变之意，而Passive器件则表示被动的、消极的、不抵抗的意思，因此有源和无源有时也被翻译成主动和被动。电力电子技术是利用电力电子器件对电能进行控制和转换的学科，包括电力电子器件、变流电路和控制电路三个部分。

01 有源器件和无源器件

有源器件（Active components）也称为主动元件，指需电源来实现其特定功能的电子元件。主要包括电子管、晶体管、集成电路等。一般用于信号的放大、转换等。从电路性质上看，有源器件有两个基本特点：

① 自身消耗电能。

② 除了输入信号外，还必须要有外加电源才可以正常工作。

从物理结构、电路功能和工程参数上，有源器件可以分为分立器件和集成电路两大类。

① 分立器件：二极管、三极管、场效应晶体管、晶闸管、半导体电阻与电容；

② 模拟集成电路器件：集成运算放大器、比较器、对数和指数放大器、 模拟乘/除法器、模拟开关电路、pll电路(phase lock loop)、 集成稳压器、 参考电源、波形发生器、功率放大器等；

③ 数字集成电路器件：基本逻辑门、触发器、寄存器、译码器、数据比较器、驱动器、计数器、 整形电路、可编程逻辑器件、微处理器、单片机、dsp器件。

无源器件（Passive components）也称为被动元件，无源器件工作时，其内部没有任何形式的电源，从电路性质上看，无源器件有两个基本特点：

① 自身或消耗电能，或把电能转变为不同形式的其他能量。

② 只需输入信号，不需要外加电源就能正常工作。

常见的被动元件除了电阻、电容、电感外还包括蜂鸣器、按键、继电器、变压器、扬声器、开关、连接器、电线电缆、光纤、插座等。关于二极管是有源器件还是无源器件，很多人的意见不一致，在这里我们可以认为理想的二极管为无源器件。

02 有源滤波和无源滤波

有源滤波和无源滤波的概念一方面是针对模拟电子线路中的信号滤波，另外一方面是针对电网电能质量治理的滤波装置。

采用无源器件电阻、电感和电容的组合，而设计的滤波电路称为无源滤波。无源滤波不具备信号放大的能力，因此无源滤波器只能维持或减小输入信号的幅度。如果滤波电路中含有有源元件，如集成运放等，则称为有源滤波器。有源滤波器既可以滤波信号又可以起到放大作用，下图为典型的一阶低通有源和无源滤波电路结构。

① 模拟电路中的信号滤波器

常见的由低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器的幅频响应示意图。

② 谐波治理中的电力滤波器

随着现代工业技术的飞速发展和电力电子技术的广泛应用，各种大功率整流、逆变、变频等电力电子设备大量投入工业生产使用，同时用户侧各种非线性负载的比重不断增加，这些设备工作时都将产生大量谐波分量。为了满足相关电能质量标准，需要采用滤波装置进行滤波或补偿。从补偿方式角度划分，电力滤波器分为无源电力滤波器（PPF，Passive Power Filter）和有源电力滤波器（APF，Active Power Filter）两大类。

无源电力滤波器的原理是为谐波电流提供低阻抗通路，实现谐波电流分流。工业上常用的无源电力滤波器为多调谐 LC 滤波器，由多个单调谐 LC 滤波器并联而成。利用 LC 谐振原理，可针对负载谐波特征与含量设计滤波器参数，使其谐振频率靠近谐波电流频率，从而实现指定次谐波滤除。

PPF结构简单、成本低廉、运行可靠性较高、运行费用较低，但存在明显的缺点：

① 单调谐 LC 滤波器只针对特定次谐波，若谐波成分复杂则需多个滤波器并联，装置体积增大，成本与损耗增加。

② 滤波器参数误差与漂移会引起谐振频率偏移，且其滤波特性依赖于电网阻抗和电网频率等参数，当电网运行参数变化，无源滤波器无法实现精确补偿，从而影响滤波效果。

③ 电网负荷复杂多变，特定次谐波可能引起 LC 滤波器出现并联谐振或串联谐振，造成保护动作跳闸、设备损坏等事故。

有源电力滤波APF则是采用电力电子技术和现代控制技术，对谐波电流和无功电流进行连续动态补偿。与无源滤波器被动补偿谐波不同，APF自身输出谐波，基本原理是通过谐波检测算法检测待补偿负载的谐波电流，控制电力电子变流器输出幅值相同，相位互差 180°的补偿电流。从电网角度分析，负载谐波电流与 APF 谐波电流叠加，流入电网的谐波电流为 0。

03 有源整流和无源整流

整流器是将交流电转换成直流电的装置或元件。关于有源整流和无源整流的概念并不多见，前面也提到，理想二极管可以看作是无源器件，所以我们暂且认为二极管整流为无源整流。而采用运算放大器或电子开关器件实现的整流电流可以称为有源整流。有源整流的典型型应用主要包含以下方面：

① 精密整流（precision rectification）

我们都知道二极管导通压降一般为0.6V左右，此导通压降也称为二极管的门坎电压，因此只有输入电压大于0.6V时，二极管才会由断态进入到通态。常规的整流电路中，整流电压的幅值远远大于二极管的门坎电压，因此可以无视此电压的存在。但是对于小幅度的信号处理，当信号幅值接近0.6V，或者小于0.6V，这时二极管就无能为力了。此时将二极管和运算放大器配合使用，可以实现很好的整流效果，输出不会在受二极管门坎电压的限制。此类电路一般称为精密整流电路，下图就是一个典型的半波精密整流电路，感兴趣的小伙伴可以去分析一下工作原理。

② 同步整流（synchronous rectification）

同步整流是由有源控制的电子开关取代二极管，以提升整流效率的技术，使用的电子开关多半是功率MOSFET。一般半导体的二极管压降固定，约为0.5至1V，在工作电流范围内，压降不会随电流有明显的变化，而同步整流采用的MOSFET可以等效为电阻（可以做到几十mΩ甚至更小），在低电流时的压降很小，因此可以减小损耗，提高效率。需要说明的是MOSFET的压降会依照欧姆定律，因此若高电流时，其压降可能会超过二极管。

下图为采用同步整流和普通二极管整流的反激电源典型应用，电子开关MOSFET会在输入电压为正时打开，输入电压为负时关闭。由于MOSFET的导通和关闭与电压同步，或是和电路中的其它开关有同步的关系，因此称为同步整流。

③ 有源前端（AFE，Active Front End）整流

AFE整流器有时也称为 PWM（pulse width modulation）整流器。PWM整流电路是采用PWM控制方式和全控型器件组成的整流电路，和传统的二极管整流相比，不再是被动地将交流电转变成直流电，而是具备了很多主动的控制功能，例如可以实现网侧功率因数可控和电流谐波抑制等功能。另外，PWM整流还具有能量可双向流动、直流侧电压稳定、动态响应快等诸多优点，详细可以参考张兴老师的PWM整流器及其控制一书。

04 有源逆变和无源逆变

逆变是通过半导体功率开关器件的开通和关断作用，把直流电能变为交流电能的一种电能变换方式，可以分为无源逆变及有源逆变。当交流侧直接和负载连接时，称为无源逆变，无源逆变电路应用很广，例如交流电机调速变频器、不间断电源( UPS) 等。

而当交流侧接电网，即交流侧接有电源时，称为有源逆变。有源逆变器可将直流电能转变为交流电能反馈给电网，从而可以实现电能的回收利用。典型应用包括交直流传动系统电机制动以及分布式能源并网系统如光伏发电、风力发电等。

电力电子书上一般以晶闸管为例介绍有源逆变

05 有源钳位和无源钳位

① 开关电源

在开关电源应用中，由于变压器漏感的存在，开关管关断瞬间会产生很大的尖峰电压，使得开关管承受较高的电压应力，甚至可能导致开关管损坏。因此，为确保开关管安全可靠工作，必须引入钳位电路吸收漏感能量。钳位电路可分为有源钳位（Active Clamping）和无源钳位（Passive Clamping）电路两类。

无源钳位一般采用RCD无源器件够承吸收电路，RCD回路由1个二极管，1个电阻和1个电容组成，具有结构简单、体积小、成本低的优点。在功率MOS断开时RCD回路导通，吸收漏感能量。一个电阻和电容并联，电容起到电压钳位的作用，并吸收存储变压器初级漏感能量，后续在并联的电阻上消耗掉。由RCD的工作原理可知，漏感能量被RCD吸收消耗掉了，所以无源钳位效率就低一点。

在正激式转换器中，利用有源钳位技术可以实现变压器铁心的自动磁复位，无须另加复位措施，并可以使励磁电流正、负方向流通，使铁心在磁化曲线第一象限及第三象限运行，提高了铁心的利用率。同时在主开关关断期间，钳位电路将主开关管两端的电压钳位在一定数值的水平上，并基本保持不变，从而避免了主开关管上出现过大的电压应力。反激式有源钳位应用相比正激相对较少

06 有源阻尼和无源阻尼

新能源分布式发电和微电网系统中，电压源型并网逆变器通常运行于高频PWM技术下的电流控制模式，因而会导致载波及其边带频率次谐波电流污染电网, 影响并网电流质量，以及其它电磁敏感设备正常工作。

为使并网逆变器注入电网的电能质量满足相关谐波标准要求，通常会在逆变器和电网之间接入简单的电感滤波器(即 L型滤波器)，对并网电流中的高频谐波进行衰减。但是随着并网逆变器功率的增大，单纯的L型滤波器效果会变差，这样就衍生了LC型、LCL型等滤波器。但是此类滤波电路由于加入了电容，会存在一个固有的谐振尖峰，这样就会导致逆变器处于无阻尼不稳定状态。

为了保证系统并网能够稳定可靠工作，需要改变硬件滤波电路结构或改善并网控制策略来抑制滤波器的谐振尖峰，这两种谐振抑制技术分别称之为无源阻尼和有源阻尼。简单来讲无源阻尼通常是在滤波电感或电容上串联或并联电阻，实现高频谐振电流的衰减。而有源阻尼则是通过软件措施避免系统振荡，来达到与无源阻尼相同的效果

07 有源负载和无源负载

负载，又称负荷、载荷。物理含义指将电能转换成其他形式能量的装置，是一切用电器件的统称，例如电灯泡、电动机、电炉等都叫负载，它们分别将电能转化成光能、机械能、热能等。无源负载比较好理解就是常规的无源器件或由无源器件组成的电路作为负载。

有源负载又称主动式负载，是一种表现出稳流非线性电阻特性的元件或电路（要想实现这种特性需要有源器件的配合，例如利用晶体管或场效应管工作在放大区可以模拟消耗电力的元件）。

在电力电子测试领域，常见的电子负载就是有源负载。电子负载是通过控制内部功率MOSFET或晶体管的导通量（占空比大小），依靠功率管的耗散功率消耗电能的设备。它能够准确检测出负载电压，精确调整负载电流，同时可以实现模拟负载短路，模拟负载的感性、阻性和容性特征等。