1.4 三相PFC电路
加载中...1.4 三相 PFC 电路
根据电路输入电压的不同，PFC 电路主要分为单相和三相两大类。其中单相 PFC 电路目前在拓扑和控制方面已相当成熟。而三相 PFC 电路由于应用极广泛，工作机理比较复杂而成为近年来的研究热点。与单相 FPC 整流装置相比，三相 PFC 整流装置具有许多优点，如下所示。
优点
输入功率高，功率额定值可达几千瓦以上；虽然每相输入功率包含两倍于工频的交变分量，但在三相平衡装置中，三相输入功率脉动部分的总和为零，输入功率是一个恒定值。这样，输出电容上无工频纹波，可以使用容量较小的输出电容，可以实现更快的输出电压的动态响应调节。
分类
然而，三相 PFC 整流电路遇到的一个很大难题是三相之间的耦合。在单相不控整流电路中，如果负载等效为一个电阻，则输入功率因数为 1，但在三相不控整流电路中，即使负载等效为一个电阻，也不能获得满意的功率因数。原因在于在三相不控整流电路中，三相电压通过 AC/DC 的不控整流桥互相耦合，不可能同时兼顾三相输入电流，使任何一相输入电流都不能独立控制为正弦波形。为使三相输入电流都为正弦波形，必须对三相输入电压进行解耦。近年来，用来提高三相整流电路功率因数的许多新拓扑被提出，从解耦的观点看，这些三相 PFC 电路拓扑可分为以下三类。
不解耦三相 PFC、部分解耦三相 PFC 和全解耦三相 PFC。
1.4.1 三相 PFC 的典型电路
1．基本三相 PFC 电路
基本三相 PFC 电路如图 1-71 所示，它基本上是单相 Boost 断续模式（DCM）PFC 在三相上的延伸。它的相电流平均值由以下几式给出：
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图 1-71 基本三相 PFC 电路
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式中，FS为输入电压UI的工作频率；L为 Boost 电感；D为占空比；M为电压增益，可用式（1-81）表示：
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图 1-72 给出了电压增益与谐波的关系。图中的 THD 为总谐波含量，可用下式表示：
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图 1-72 电压增益与谐波的关系
功率因数λ为
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因此，为了得到较高的功率因数，需增大电压增益M。但过高的M会使Udc太高，导致 S1及 PFC 负载（变换器）的开关功率器件的电压应力增大，从而增加了整机的成本及降低了整机的工作可靠性，这也是三相 PFC 整流器电路还不能走向成熟的问题关键。
2．三相 PFC 电路
近几年来，产生了很多三相 PFC，大部分是针对上述问题提出的，最常见的有以下几种。
常见拓扑
基本 PFC+ 波形控制；Buck 型 PFC；基本组合型 PFC；双向开关型三相 PFC；软开关三相 PFC。
1）基本 PFC+ 波形控制
在基本的 PFC 控制电路中加入调制信号，在同一谐波含量下，可以降低 M 的值，如图 1-72 中的虚线结果所示。该方法其实没有解决 Udc＞3Uin的问题。
2）Buck 型 PFC
如图 1-73 所示是 Buck 型 PFC。它是基本 Boost 型的对偶电路，可以使Udc＜3Uin。其缺点是：Ia（Ib，Ic）的电流对称取决于负载，负载电流越大，功率因数越高，THD 越小；对无极性电容 Ca（Cb，Cc）要求较高，体积大，价格高。
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图 1-73 Buck 型 PFC
3）基本组合型 PFC
基本组合型 PFC 即将基本变换器用于三相 PFC 中。其典型应用电路有 Buck—Boost 型 PFC。这种组合型 PFC 由于结构复杂，目前只在小功率 PFC 中有应用。
4）双向开关型三相 PFC
双向开关型三相 PFC 是目前一种比较有发展前途的拓扑模型，如图 1-74 所示，它采用了双向开关结构。
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图 1-74 双向开关型三相 PFC
这种电路的优点是：开关器件的电压值小，控制简单，输入电流连续，其输出电压为
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其缺点是：快速二极管使用较多，直流侧电容需均压，电感较大。滤波电感由下式计算：
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式中，f为电源频率；Po为输出功率。
5）软开关三相 PFC
将单相无损 PFC 软开关直接应用到三相 PFC 中，仍有发展前景，因为这可大幅度减少开关损耗。
3．不解耦三相 PFC 电路
三相单开关 PFC 整流电路是最典型的不解耦三相 PFC 电路，如图 1-75 所示。
在图 1-75 中，以在时间间隔 t，
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图 1-75 三相单开关 PFC 整流电路
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S 关断后，电感放电，有
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t2时刻，原来t1时刻的三相电感电流中绝对值最小的那一相先下降为零，即ib=0；直到t3时刻，三相电感电流都变为零。一个开关周期内的三相电感电流波形如图 1-76 所示。
在图 1-76 中，时间间隔 和是可控的，而 和是不可控的。该拓扑运行于 DCM 模式下的条件是开关周期TS≥t3。最大占空比为
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图 1-76 一个开关周期内的三相电感电流波形
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输入电流的 THD 依赖于输出电压的增益：
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当KV=1.5 时，THD 可达 10% 左右。
这种拓扑是一种低成本的三相 PFC 方案，由于其线路简单和相对好的性能，所以十分流行。该拓扑也可以采用 ZCT、ZVT 软开关技术来减小开关损耗。
问题
三相单开关 PFC 整流电路存在的固有问题有：为了得到较低的 THD，输出电压必须达到一定的幅值，这就使得对后级的元器件耐压要求较高，同时为后级变换带来了困难；为了既保证输入电感上的电流断续，又能得到最大的输出功率，电感的设计比较困难。
上述三相单开关 PFC 整流电路固有问题的根本原因是三相电压之间的耦合，因此为了达到最好的功率因数校正效果，必须对三相电压解耦。
4．部分解耦三相 PFC 电路
这里选取三相四线伪桥式 PFC 整流电路和三电平 PFC 整流电路进行分析。
1）三相四线伪桥式 PFC 整流电路
这种拓扑的典型电路如图 1-77 所示，由于中线的存在，所以该电路可以分为相互独立的上下两个半桥，从而达到部分解耦的目的。基于三相四线伪桥式 PFC 整流电路的控制策略有断续和连续两种模式，而临界断续控制模式实质上是变频恒导通时间控制模式。根据三相四线伪桥式 PFC 整流电路的输出功率，可以确定一个工频周期内的恒导通时间ton，即开关管在电感电流回零后开通，在导通时间ton完成后关断，以让电感电流回零。相对恒频恒占空比的控制方式，其电流畸变要小得多。
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图 1-77 三相四线伪桥式 PFC 整流电路
以上半桥 A 相为例：在 π/6～5π/6（7π/6～11π/6）时间区间，开关 S1（S2）的关断时间仅由相电压UA决定，因此在一个开关周期内，ILA的平均电流取决于它的相电压，UB和UC对它无影响。而在 0～π/6（π～7π/6）、5π/6～π（11π/6～2π）时间区间，开关 S1（S2）的关断时间则分别由UC和UB决定，因此在这些时间区间ILA的平均电流受到 C 相和 B 相相电压的干扰。该拓扑实际上是一种部分解耦三相 PFC。
当该电路运行于恒导通时间临界 DCM 模式下时，在 0～π/6 时间区间，第N个开关周期内的 A 相相电流平均值为
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而在 π/6～5π/6 时间区间，有
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在 π/6～π 时间区间，有
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式中，Ton是开关恒导通时间；U01是 C1两端的输出电压；LA是A相输入电感。
特点
该电路上下半桥独立，实现了部分解耦，比不解耦的三相单开关 PFC 整流电路能实现更小的输入电流 THD，更高的功率因数；开关元件少，控制简单；开关管电压应力低，仅为三相单开关 PFC 整流电路的一半；但是该电路需要中线，有三次谐波流过。
2）三电平 PFC 整流电路
三电平 PFC 整流电路的典型拓扑如图 1-78 所示，该电路利用三个低功率双向开关 Ka、Kb、Kc运行于工频下，当输入交流电压过零时开关动作，从而在耦合区间将电流引入零电位，达到部分解耦的目的。
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图 1-78 三电平 PFC 整流电路的典型拓扑
在 0～π/6 时间区间，开关 Ka导通，电路运行模式如图 1-79 所示。设Uin为输入相电压有效值，以 A 相分析为例，有
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图 1-79 0～π/6 时间区间的电路运行模式
在 π/6～2π/6 时间区间，开关都不导通，该电路运行模式与三相不控整流电路相同，对IA有
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同理，可推出其他时间区间的表达式。输入电感需满足下式：
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该电路的显著特点是工作于低频下，无须快速器件，成本低；不需要中线，无三次谐波；满载时功率因数高；开关应力小，关断压降低；但轻载时特性差，因此特别适合于对设备体积要求不高、负载变化不大的场合。
控制原理
5．全解耦三相 PFC 电路
三相 CCM-Boost 整流电路是该拓扑的典型电路，如图 1-80 所示。它采用空间电压矢量控制，可以实现三相输入电压的完全解耦，达到很高的性能。空间电压矢量控制的原理如下。
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图 1-80 三相 CCM-Boost 整流电路
用三相电压矢量去逼近矢量电压圆，则在输入端会得到等效三相正弦波形。开关矢量由三个字母表示，三个字母从左到右分别代表 A、B、C 点是否与 P 或 N 相连。这样，共有 8 个开关矢量，包括两个零矢量，如图 1-81 所示。
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图 1-81 矢量与矢量合成
如果将电压圆分成N等份，采样周期为TS，则任一空间矢量V可由其相邻两个开关矢量来等效，相应的导通时间为
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优缺点
式中，m为调制比；θt为导通角；Uθt为导通角为θt时的电压模；Udc为直流输入电压。
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零矢量作用时间为
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由于该电路具有连续的输入电流、高效率和高功率输出，所以在中功率应用中是重要的高功率因数变换器。但该电路需要 6 个主开关，开关管利用率低，控制复杂，成本高。
1.4.2 三相多开关 PFC 电路
1．三相六开关 PFC 电路
三相六开关 PFC 电路是由 6 个功率开关器件（6 个绝缘栅极晶体管 IGBT）组成的三相 PWM 整流电路，其开关频率高、驱动功率小。随着智能功率模块（IPM）技术的发展应用，IPM 正在逐步取代普通 IGBT 模块。由于 IPM 内部既有 IGBT 的棚极驱动和保护逻辑，又有过流、过（欠）压、短路和过热检测及保护电路，提高了变频器的可靠性和可维护性，所以 PFC 环节和 IPM 逆变桥集成一体化是三相六开关 PFC 电路发展的必然趋势。
三相六开关 PFC 电路如图 1-82（a）所示，每个桥臂由上下 2 个开关管及与其并联的二极管组成，每相电流可通过桥臂上的这 2 个开关管进行控制。例如，当 A 相电压为正时，S4导通使 La上的电流增大，电感 La充电；当 S4关断时，电流ia通过与 S1并联的二极管流向输出端，电流减小。同样，当 A 相电压为负时，可通过 S1及与 S4并联的二极管对电流ia进行控制。实际的控制电路由电压外环、电流内环及 PWM 发生器构成。常用的控制方法如图 1-83 所示。PWM 控制可采用三角波比较法、滞环控制或空间矢量调制法（SVM）。由于三相的电流之和为零，所以只要对其中的两相电流进行控制就足够了。因此，在实际应用中，对电压绝对值最大的这一相不进行控制，而只选另外两相进行控制。这样做的好处是减少了开关动作的次数，从而可以减小总的开关损耗。
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图 1-82 三相六开关 PFC 电路
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图 1-83 三相六开关 PFC 电路的控制图
优缺点
该电路的优点是输入电流的 THD 小，功率因数为 1，输出直流电压低，效率高，能实现功率的双向传递，适用于大功率应用。其不足之处是使用开关数目较多，控制复杂，成本高，而且每个桥臂上的 2 个串联开关管存在直通短路的危险，对功率驱动控制的可靠性要求高。为了防止直通短路危险，可以在电路的直流侧串上一个快恢复二极管。
Buck 型三相六开关 PFC 变换器的基本拓扑如图 1-82（b）所示。要实现电感 L 的电流连续而线电压不短路，要求上下桥臂必须各有一个开关管导通，而且只能各有一个导通。所采用的 PWM 控制策略是把一个工频周期以相电压过零点分成 6 段，在每段中有 2 个线电压同极性。在每段中，具有最高或最低电压的相一直导通，而调节其他两相的导通时间，以实现电流跟踪电压，即功率因数校正。
2．三相双开关 PFC 电路
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 电路中只使用了 1 个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 个开关管来对三相电流进行控制。在图 1-84 所示的电路中，用 2 个串联的开关管代替了三相单开关 PFC 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 2 个串联开关管的中点相连。该电路的 Boost 电感上的电流也工作在 DCM 下。它与三相单开关 PFC 电路的不同之处是：三相单开关 PFC 电路中的 3 个 Boost 电感是同时充电或放电的；而在图 1-84 所示的电路中，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 1-85 所示。
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图 1-84 三相双开关两电平 PFC 电路
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图 1-85 三相双开关两电平 PFC 电路的电流示意图
优缺点
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；而三相单开关 PFC 电路中的电感放电时，输出电压是被分成两部分，分别参与不同的电感放电的，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。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。该电路的不足之处是：电路工作在 DCM 下，THD 仍比较大。