三相功率因数校正PFC技术的综述(2)

三相功率因数校正（PFC技术的综述(2) 摘要：综述了三相功率因数校正电路发展现状，并对典型拓扑进行分析比较。 关键词：三相整流器；谐波；功率因数校正 5三相双开关PFC 在三相电路中，三相电流总共有3个自由度，而三相单开关PFC中只使用了1只开关管对电流进行控制，加上三相电流之和为零这个条件，最多只能对2个自由度的量进行控制。所以可以通过增加1只开关管来对三相电流进行控制。图23的电路中，用2只串联的开关管代替图8上的单管，并在输入端用3个Y型接法的电容来构造浮动中点，这个中点与两只串联开关管的中点相联[14]。该电路Boost电感上的电流也是工作在DCM下，与图8电路不同之处是：图8中的3个Boost电感是同时充电或放电的，而图23电路中电压值最高相的Boost电感与其余两相上的Boost电感充电或放电在时间上是错开的，各相的电流波形如图24所示。这样工作的好处是：在电感放电起始的一段时间里输出电压全部参与电感放电，而图8电路中电感放电时输出电压是被分成两部分分别参与不同的电感放电的〔由式（2）,（3）可见〕，这就使电感放电时间缩短，即缩短了电感电流平均值与输入电压瞬时值的非线性阶段，可减小输入电流的THD。在较小的输出电压下就可以获得比较小的THD。此外，Y型接法的3个电容可以在一定程度上减小低次电流谐波[14]。电路的不足之处是：电路工作在DCM下，THD仍比较大。这种电路己在空调器中使用[15]。 图25所示为双开关谐振型三相PFC电路[16]。在该电路中，开关（S1，S2）、三个串联L－C电路和由D7～D12组成的三相全桥电路一起组成谐振开关网 图24三相双开关两电平PFC电路电流示意图 图23三相双开关两电平PFC电路 () 三相功率因数校正（PFC）技术的综述(2) 图25三相双开关谐振型PFC电路 图26三相双开关三电平PFC主电路及控制框图 图27三相双开关三电平PFC并联电路 图28三相单开关PFC交错并联与三相双开关PFC交错并联在不同的输入电压下THD的比较 络。电路中Boost电感（La，Lb，Lc）比谐振电感（L1，L2，L3）的电感值大许多。谐振开关网络通过建立谐振电压和L－C的谐振电流来改变输入电感上的电流，从而减小THD。电路工作时Boost电感上的电流是连续的。电路的优点是开关S1，S2是在零电压下导通（ZVS），电路工作在CCM下，THD较小，电路控制较简单。该电路的缺点是通过开关管的电流最大值是三个谐振电感的谐振电流之和，这就要求开关管的电流容量要大。另外，电路使用的元器件比较多，成本高。 图26中的电路通过输入端Y型接法的3个电容构成的中点与两只串联的开关中点和两个串联输出电容的中点相联接构成三电平电路[17]。电路可以工作在CCM或DCM方式下。文献[17]中提出一种工作在CCM下的控制方法。这种控制方法是通过开关S1和S2分别控制正向电压最大相和负向电压最大相的电流来实现的。图26中同时给出了这种控制方法的控制框图。在电路工作时开关管所承受的最大电压只有输出电压的一半，这就可以选择耐压参数小而开关速度快的半导体开关器件（如MOSFET）以提高开关频率。同时电路工作在CCM下，THD较小，前端的EMI滤波器可以设计得比较小。缺点是需要检测的控制量比较多，控制比较复杂。文献[18]中提出一种电路工作在DCM与CCM临界情况下的控制方法。由于电路工作在DCM下，需要较大EMI滤波器。为了进一步减小输入电流的THD值，从而减小EMI滤波器，可以通过两个双开关三电平电路并联的方法来达到这个目的，并联电路如图27所示[19]。这种交错并联方法与三相单开关PFC电路的交错并联思想是一致的。三相单开关PFC交错并联(图18)与三相双开关PFC交错并联(图27)的THD在不同的输入电压的比较如图28所示[19]，效率比较如图29所示[19]。 文献[20]和文献[21]分别提出了一种含三相隔离变压器接口（IFT）的三相Buck型和Boost型的PFC电路，如图30及图31所示。基本思想是引入了一个IFT，其输出端电流为输入端电流iN的1/3，在此条件下，输入相电流iA,iB,iC和整流桥输出电流iP,iQ存在一一映射关系。整流桥之后是两个Buck或BoostPFC电路的串联。以图30为例，在Va>0>Vc>Vb时上桥臂的D1和下桥臂的D5导通 iX=iP；iY=iQ；iZ=0 iA=iX－iX′；iB=iY－iY′；iC=iZ－iZ′（5） 图29三相单开关PFC交错并联与三相双开关PFC交错并联在不同的输入电压下效率的比较 图30含IFT的三相Buck型PFC电路 图31含IFT的三相Boost型PFC电路 图32三相三开关三电平PFC电路 iX′=iY′=iZ′=iN/3（6） iN=iP－iQ（7） 由式（5）、（6）、（7）可以得出iP,iQ与iA,iB,iC的关系 iP=2iA＋iB；iQ=－(iA＋2iB)(8) 在这时（Va>0>Vc>Vb）iA,iB分别为正的最大电流和负的最大电流。在整个周期内式（8）可写成 iP=2i＋max＋i－max；iQ=－(i＋max＋2i－max) 所以只要iP,iQ的参考iP＊,iQ＊与iA,iB,iC的参考iA＊,iB＊,iC＊满足 iP＊=2i＊＋max＋i＊－max；iQ＊=－（i＊＋max＋2i＊－max） 就可以通过控制iP,iQ来实现对三相输入电流的控制。由于电路等效成两个单相PFC串联，因而可采用单相PFC的控制技术，使iP,iQ跟随电流给定iP＊,iQ＊，根据映射关系，输入电流iA,iB,iC也将跟随给定电流iA＊,iB＊,iC＊，从而可实现功率因数为1。这种电路的优点是开关少，控制简单，可采用任何单相PFC的技术；缺点是需要一个容量相当大的IFT（约大于输入总功率的20％），由于IFT工作在低频，这必然增加变换器的成本和体积。 6三相三开关PFC电路 三相三开关PFC电路如图32所示，其中开关S1，S2，S3是双向开关。由于电路的对称性，电容中点电位VM与电网中点的电位近似相同，因而通过双向开关S1、S2、S3可分别控制对应相上的电流。开关合上时对应相上的电流幅值增大，开关断开时对应桥臂上的二极管导通（电流为正时，上臂二极管导通；电流为负时，下臂二极管导通），在输出电压的作用下Boost电感上的电流减小，从而实现对电流的控制。这种电路还有一些类似的变形电路如图33到图36所示。这些电路可以采用滞环控制或空间矢量法控制。另外有些文献提出让对应相上的开关在该相电压正向过零和负向过零时开始各导通30°，其余时间开关关断，这样来实现功率因数校正[22]。这样控制的优点是控制简单，另外开关频率只是网侧开关频率的2倍，因而可以选用频率比较低的开关器件，系统成本较低。但是这样控制方法下THD比较大，Boost电感值要取得比较大。在文献[23]和文献[24]中提出的对三相三开关及其类似电路的控制方法下，可以把这些电路分成两类：一类是两个单相Boost电路串联起来的如图32、图33、图34，这些电路都有两个串联在一起的输出电容。另一类是两个单相Boost电路并联，如图35、图36所示，这些电路只有一个输出直流电容。文献中提出的控制方法是:在一个网侧电压周期的360°内，选择一个60°区域，如Va>Vb>0，Vc<0时让Sb合上。这时电路就可以等效成两个单相Boost电路串联或并联。这样就可以用单相PFC的控制技术对电路进行控制。这种控制方法与滞环控制相比有个优点就是在任何时刻只有2只开关管是工作在高频情况下，因而损耗较小。但这种控制方法要三相解码电路来选择工作区。另外，在Boost电感放在直流侧时，交流侧有直通短路危险。 图32中的双向开关用1只MOSFET器件和4只整流二极管组成的整流桥相联接构成的双向开关来 三相功率因数校正（PFC）技术的综述(2) 图37J.W.Kolar等提出的三相三开关 三电平PFC电路及控制框图 图38三相四开关PFC电路 代替，就形成了J.W.Kolar等提出的三相三开关三电平PFC电路，如图37所示[25]。这种电路的优点是开关所承受的电压只有输出电压的一半，因此可采用MOSFET器件。输入电流为CCM方式，因此变换效率高。电路缺点是每个桥臂要使用6只二极管，其中有2只为快速恢复二极管，器件数目多。图37中同时给出了这种电路的控制框图。 7三相四开关PFC电路 三相四开关PFC电路如图38所示[26]。该电路与半臂控制电路（只对整流桥上半臂或下半臂进行控制，而另外半臂则使用整流二极管器件）相比，只是增加了一桥臂（由图中S4与D4组成）和接在输入侧用来构造中点电压的3个Y型接法R－L电路。在电压的正半周通过可控的半臂（S1，S2，S3）进行控制，而在负半周则通过第4桥臂（S4，D4）来控制。该电路与六开关整流器相比没有直通短路危险，而且少用2只开关。但是这种电路电流正负半波不对称，电流存在偶次谐波。文献[26]中通过两个模块并联的方法，一个模块上半臂可控，另一个模块下半臂可控，这样可以使总的输入电流正负半波对称，从而消除了电流的偶次谐波。电路图如图39所示。 8三相PFC近年研究热点 三相PFC电路可以使输入电流近似正弦波，通过控制使输出电压不会因输入电压波动而波动，与 图33串联双Boost三相PFC电路1 图34串联双Boost三相PFC电路2 图35三相三开关两电平PFC电路1 图36三相三开关两电平PFC电路2 图39三相四开关PFC电路并联 二极管整流电路相比有很明显的优势，成为近年电力电子技术研究的重要方面。近年来三相PFC研究主要集中在以下方面： 1）新颖的三相PFC电路拓扑结构的研究。 2）三电平、交错并联等技术以减小输入谐波和EMI滤波器的研究。 3）软开关技术在三相PFC电路中的应用。 4）三相单级PFC电路的研究。 参考文献 [1]S.Y.R.Hui,H.Chung,Y.K.E.Ho,Y.S.Lee.Modular DevelopmentofSingle?Stage3?PhasePFCUsingSingle?PhaseStep?DownConverters[C].IEEEPESC1998:776－781. 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