大家好，這期我們聊一下電力電子中的有源和無源概念。有源和無源分別由英文單詞Active和Passive翻譯而來，Active表示活躍、主動、可變之意，而Passive器件則表示被動的、消極的、不抵抗的意思，因此有源和無源有時也被翻譯成主動和被動。電力電子技術(shù)是利用電力電子器件對電能進行控制和轉(zhuǎn)換的學(xué)科，包括電力電子器件、變流電路和控制電路三個部分，今天就讓我們來巴拉巴拉這個行業(yè)有哪些用有源和無源修飾的專業(yè)名詞。

有源器件（Active components）也稱為主動元件，指需電源來實現(xiàn)其特定功能的電子元件。主要包括電子管、晶體管、集成電路等。一般用于信號的放大、轉(zhuǎn)換等。從電路性質(zhì)上看，有源器件有兩個基本特點：

① 自身消耗電能。

② 除了輸入信號外，還必須要有外加電源才可以正常工作。

從物理結(jié)構(gòu)、電路功能和工程參數(shù)上，有源器件可以分為分立器件和集成電路兩大類。

① 分立器件：二極管、三極管、場效應(yīng)晶體管、晶閘管、半導(dǎo)體電阻與電容；

② 模擬集成電路器件：集成運算放大器、比較器、對數(shù)和指數(shù)放大器、 模擬乘/除法器、模擬開關(guān)電路、pll電路(phase lock loop)、 集成穩(wěn)壓器、 參考電源、波形發(fā)生器、功率放大器等；

③ 數(shù)字集成電路器件：基本邏輯門、觸發(fā)器、寄存器、譯碼器、數(shù)據(jù)比較器、驅(qū)動器、計數(shù)器、 整形電路、可編程邏輯器件、微處理器、單片機、dsp器件。

無源器件（Passive components）也稱為被動元件，無源器件工作時，其內(nèi)部沒有任何形式的電源，從電路性質(zhì)上看，無源器件有兩個基本特點：

① 自身或消耗電能，或把電能轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌问降钠渌芰俊?/p>

② 只需輸入信號，不需要外加電源就能正常工作。

常見的被動元件除了電阻、電容、電感外還包括蜂鳴器、按鍵、繼電器、變壓器、揚聲器、開關(guān)、連接器、電線電纜、光纖、插座等。關(guān)于二極管是有源器件還是無源器件，很多人的意見不一致，在這里我們可以認(rèn)為理想的二極管為無源器件。

有源濾波和無源濾波的概念一方面是針對模擬電子線路中的信號濾波，另外一方面是針對電網(wǎng)電能質(zhì)量治理的濾波裝置。

① 模擬電路中的信號濾波器

模擬電路中的濾波器常用于信號處理、數(shù)據(jù)傳輸和干擾抑制等方面。簡單的說就是相當(dāng)于一個過濾器，過濾掉你不需要的東西，留下對你有用的東西。下圖為常見的由低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器、帶阻濾波器的幅頻響應(yīng)示意圖。

采用無源器件電阻、電感和電容的組合，而設(shè)計的濾波電路稱為無源濾波。無源濾波不具備信號放大的能力，因此無源濾波器只能維持或減小輸入信號的幅度。如果濾波電路中含有有源元件，如集成運放等，則稱為有源濾波器。有源濾波器既可以濾波信號又可以起到放大作用，下圖為典型的一階低通有源和無源濾波電路結(jié)構(gòu)。

② 諧波治理中的電力濾波器

隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的飛速發(fā)展和電力電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用，各種大功率整流、逆變、變頻等電力電子設(shè)備大量投入工業(yè)生產(chǎn)使用，同時用戶側(cè)各種非線性負(fù)載的比重不斷增加，這些設(shè)備工作時都將產(chǎn)生大量諧波分量。為了滿足相關(guān)電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，需要采用濾波裝置進行濾波或補償。從補償方式角度劃分，電力濾波器分為無源電力濾波器（PPF，Passive Power Filter）和有源電力濾波器（APF，Active Power Filter）兩大類。

無源電力濾波器的原理是為諧波電流提供低阻抗通路，實現(xiàn)諧波電流分流。工業(yè)上常用的無源電力濾波器為多調(diào)諧 LC 濾波器，由多個單調(diào)諧 LC 濾波器并聯(lián)而成。利用 LC 諧振原理，可針對負(fù)載諧波特征與含量設(shè)計濾波器參數(shù)，使其諧振頻率靠近諧波電流頻率，從而實現(xiàn)指定次諧波濾除。

PPF結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、運行可靠性較高、運行費用較低，但存在明顯的缺點：

① 單調(diào)諧 LC 濾波器只針對特定次諧波，若諧波成分復(fù)雜則需多個濾波器并聯(lián)，裝置體積增大，成本與損耗增加。

② 濾波器參數(shù)誤差與漂移會引起諧振頻率偏移，且其濾波特性依賴于電網(wǎng)阻抗和電網(wǎng)頻率等參數(shù)，當(dāng)電網(wǎng)運行參數(shù)變化，無源濾波器無法實現(xiàn)精確補償，從而影響濾波效果。

③ 電網(wǎng)負(fù)荷復(fù)雜多變，特定次諧波可能引起 LC 濾波器出現(xiàn)并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振，造成保護動作跳閘、設(shè)備損壞等事故。

有源電力濾波APF則是采用電力電子技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)，對諧波電流和無功電流進行連續(xù)動態(tài)補償。與無源濾波器被動補償諧波不同，APF自身輸出諧波，基本原理是通過諧波檢測算法檢測待補償負(fù)載的諧波電流，控制電力電子變流器輸出幅值相同，相位互差 180°的補償電流。從電網(wǎng)角度分析，負(fù)載諧波電流與 APF 諧波電流疊加，流入電網(wǎng)的諧波電流為 0。

有源濾波器具有以下優(yōu)勢：① 響應(yīng)速度快，補償精度高。② 對電網(wǎng)參數(shù)依賴程度低，補償容量不受電網(wǎng)電壓和頻率影響。③不受電網(wǎng)中其他負(fù)載影響，不會發(fā)生諧振和過載等。

整流器是將交流電轉(zhuǎn)換成直流電的裝置或元件。關(guān)于有源整流和無源整流的概念并不多見，前面也提到，理想二極管可以看作是無源器件，所以我們暫且認(rèn)為二極管整流為無源整流。而采用運算放大器或電子開關(guān)器件實現(xiàn)的整流電流可以稱為有源整流。有源整流的典型型應(yīng)用主要包含以下方面：

① 精密整流（precision rectification）

我們都知道二極管導(dǎo)通壓降一般為0.6V左右，此導(dǎo)通壓降也稱為二極管的門坎電壓，因此只有輸入電壓大于0.6V時，二極管才會由斷態(tài)進入到通態(tài)。常規(guī)的整流電路中，整流電壓的幅值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于二極管的門坎電壓，因此可以無視此電壓的存在。但是對于小幅度的信號處理，當(dāng)信號幅值接近0.6V，或者小于0.6V，這時二極管就無能為力了。此時將二極管和運算放大器配合使用，可以實現(xiàn)很好的整流效果，輸出不會在受二極管門坎電壓的限制。此類電路一般稱為精密整流電路，下圖就是一個典型的半波精密整流電路，感興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電子開關(guān)取代二極管，以提升整流效率的技術(shù)，使用的電子開關(guān)多半是功率MOSFET。一般半導(dǎo)體的二極管壓降固定，約為0.5至1V，在工作電流范圍內(nèi)，壓降不會隨電流有明顯的變化，而同步整流采用的MOSFET可以等效為電阻（可以做到幾十mΩ甚至更小），在低電流時的壓降很小，因此可以減小損耗，提高效率。需要說明的是MOSFET的壓降會依照歐姆定律，因此若高電流時，其壓降可能會超過二極管。

下圖為采用同步整流和普通二極管整流的反激電源典型應(yīng)用，電子開關(guān)MOSFET會在輸入電壓為正時打開，輸入電壓為負(fù)時關(guān)閉。由于MOSFET的導(dǎo)通和關(guān)閉與電壓同步，或是和電路中的其它開關(guān)有同步的關(guān)系，因此稱為同步整流。

③ 有源前端（AFE，Active Front End）整流

AFE整流器有時也稱為 PWM（pulse width modulation）整流器。PWM整流電路是采用PWM控制方式和全控型器件組成的整流電路，和傳統(tǒng)的二極管整流相比，不再是被動地將交流電轉(zhuǎn)變成直流電，而是具備了很多主動的控制功能，例如可以實現(xiàn)網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)可控和電流諧波抑制等功能。另外，PWM整流還具有能量可雙向流動、直流側(cè)電壓穩(wěn)定、動態(tài)響應(yīng)快等諸多優(yōu)點，詳細(xì)可以參考張興老師的PWM整流器及其控制一書。

逆變是通過半導(dǎo)體功率開關(guān)器件的開通和關(guān)斷作用，把直流電能變?yōu)榻涣麟娔艿囊环N電能變換方式，可以分為無源逆變及有源逆變。當(dāng)交流側(cè)直接和負(fù)載連接時，稱為無源逆變，無源逆變電路應(yīng)用很廣，例如交流電機調(diào)速變頻器、不間斷電源( UPS) 等。

而當(dāng)交流側(cè)接電網(wǎng)，即交流側(cè)接有電源時，稱為有源逆變。有源逆變器可將直流電能轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟娔芊答伣o電網(wǎng)，從而可以實現(xiàn)電能的回收利用。典型應(yīng)用包括交直流傳動系統(tǒng)電機制動以及分布式能源并網(wǎng)系統(tǒng)如光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等。

電力電子書上一般以晶閘管為例介紹有源逆變，通常用于大功率直流電機調(diào)速，不過目前可能應(yīng)用比較少了，所以就不詳細(xì)說了。

① 開關(guān)電源

在開關(guān)電源應(yīng)用中，由于變壓器漏感的存在，開關(guān)管關(guān)斷瞬間會產(chǎn)生很大的尖峰電壓，使得開關(guān)管承受較高的電壓應(yīng)力，甚至可能導(dǎo)致開關(guān)管損壞。因此，為確保開關(guān)管安全可靠工作，必須引入鉗位電路吸收漏感能量。鉗位電路可分為有源鉗位（Active Clamping）和無源鉗位（Passive Clamping）電路兩類。

無源鉗位一般采用RCD無源器件夠承吸收電路，RCD回路由1個二極管，1個電阻和1個電容組成，具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、成本低的優(yōu)點。在功率MOS斷開時RCD回路導(dǎo)通，吸收漏感能量。一個電阻和電容并聯(lián)，電容起到電壓鉗位的作用，并吸收存儲變壓器初級漏感能量，后續(xù)在并聯(lián)的電阻上消耗掉。由RCD的工作原理可知，漏感能量被RCD吸收消耗掉了，所以無源鉗位效率就低一點。

    在正激式轉(zhuǎn)換器中，利用有源鉗位技術(shù)可以實現(xiàn)變壓器鐵心的自動磁復(fù)位，無須另加復(fù)位措施，并可以使勵磁電流正、負(fù)方向流通，使鐵心在磁化曲線第一象限及第三象限運行，提高了鐵心的利用率。同時在主開關(guān)關(guān)斷期間，鉗位電路將主開關(guān)管兩端的電壓鉗位在一定數(shù)值的水平上，并基本保持不變，從而避免了主開關(guān)管上出現(xiàn)過大的電壓應(yīng)力。反激式有源鉗位應(yīng)用相比正激相對較少，詳細(xì)的工作原理就不細(xì)說了，大家可以去參考相關(guān)書籍。

② IGBT過壓吸收

IGBT驅(qū)動中也有源鉗位技術(shù)，也是針對過壓吸收的，詳細(xì)可以去看看這兩篇文章。

技術(shù)資料分享5：IGBT有源鉗位技術(shù)介紹

IGBT過壓保護采用有源鉗位還是軟關(guān)斷？

    需要說明的是，采用有源鉗位后，IGBT關(guān)斷過壓能量是通過器件自身發(fā)熱釋放掉的，對于普通的RC吸收電路是通過電阻釋放掉的，而純電容的吸收回路則通過換流回路的寄生電阻消耗掉。

新能源分布式發(fā)電和微電網(wǎng)系統(tǒng)中，電壓源型并網(wǎng)逆變器通常運行于高頻PWM技術(shù)下的電流控制模式，因而會導(dǎo)致載波及其邊帶頻率次諧波電流污染電網(wǎng), 影響并網(wǎng)電流質(zhì)量，以及其它電磁敏感設(shè)備正常工作。

為使并網(wǎng)逆變器注入電網(wǎng)的電能質(zhì)量滿足相關(guān)諧波標(biāo)準(zhǔn)要求，通常會在逆變器和電網(wǎng)之間接入簡單的電感濾波器(即 L型濾波器)，對并網(wǎng)電流中的高頻諧波進行衰減。但是隨著并網(wǎng)逆變器功率的增大，單純的L型濾波器效果會變差，這樣就衍生了LC型、LCL型等濾波器。但是此類濾波電路由于加入了電容，會存在一個固有的諧振尖峰，這樣就會導(dǎo)致逆變器處于無阻尼不穩(wěn)定狀態(tài)。

為了保證系統(tǒng)并網(wǎng)能夠穩(wěn)定可靠工作，需要改變硬件濾波電路結(jié)構(gòu)或改善并網(wǎng)控制策略來抑制濾波器的諧振尖峰，這兩種諧振抑制技術(shù)分別稱之為無源阻尼和有源阻尼。簡單來講無源阻尼通常是在濾波電感或電容上串聯(lián)或并聯(lián)電阻，實現(xiàn)高頻諧振電流的衰減。而有源阻尼則是通過軟件措施避免系統(tǒng)振蕩，來達到與無源阻尼相同的效果。

負(fù)載，又稱負(fù)荷、載荷。物理含義指將電能轉(zhuǎn)換成其他形式能量的裝置，是一切用電器件的統(tǒng)稱，例如電燈泡、電動機、電爐等都叫負(fù)載，它們分別將電能轉(zhuǎn)化成光能、機械能、熱能等。無源負(fù)載比較好理解就是常規(guī)的無源器件或由無源器件組成的電路作為負(fù)載。

有源負(fù)載又稱主動式負(fù)載，是一種表現(xiàn)出穩(wěn)流非線性電阻特性的元件或電路（要想實現(xiàn)這種特性需要有源器件的配合，例如利用晶體管或場效應(yīng)管工作在放大區(qū)可以模擬消耗電力的元件）。

在電力電子測試領(lǐng)域，常見的電子負(fù)載就是有源負(fù)載。電子負(fù)載是通過控制內(nèi)部功率MOSFET或晶體管的導(dǎo)通量（占空比大?。?，依靠功率管的耗散功率消耗電能的設(shè)備。它能夠準(zhǔn)確檢測出負(fù)載電壓，精確調(diào)整負(fù)載電流，同時可以實現(xiàn)模擬負(fù)載短路，模擬負(fù)載的感性、阻性和容性特征等。