三相功率因數(shù)校正PFC技術(shù)的綜述(2)

關(guān)鍵詞：三相整流器；諧波；功率因數(shù)校正

5三相雙開(kāi)關(guān)PFC

在三相電路中，三相電流總共有3個(gè)自由度，而三相單開(kāi)關(guān)PFC中只使用了1只開(kāi)關(guān)管對(duì)電流進(jìn)行控制，加上三相電流之和為零這個(gè)條件，最多只能對(duì)2個(gè)自由度的量進(jìn)行控制。所以可以通過(guò)增加1只開(kāi)關(guān)管來(lái)對(duì)三相電流進(jìn)行控制。圖23的電路中，用2只串聯(lián)的開(kāi)關(guān)管代替圖8上的單管，并在輸入端用3個(gè)Y型接法的電容來(lái)構(gòu)造浮動(dòng)中點(diǎn)，這個(gè)中點(diǎn)與兩只串聯(lián)開(kāi)關(guān)管的中點(diǎn)相聯(lián)[14]。該電路Boost電感上的電流也是工作在DCM下，與圖8電路不同之處是：圖8中的3個(gè)Boost電感是同時(shí)充電或放電的，而圖23電路中電壓值最高相的Boost電感與其余兩相上的Boost電感充電或放電在時(shí)間上是錯(cuò)開(kāi)的，各相的電流波形如圖24所示。這樣工作的好處是：在電感放電起始的一段時(shí)間里輸出電壓全部參與電感放電，而圖8電路中電感放電時(shí)輸出電壓是被分成兩部分分別參與不同的電感放電的〔由式（2）,（3）可見(jiàn)〕，這就使電感放電時(shí)間縮短，即縮短了電感電流平均值與輸入電壓瞬時(shí)值的非線(xiàn)性階段，可減小輸入電流的THD。在較小的輸出電壓下就可以獲得比較小的THD。此外，Y型接法的3個(gè)電容可以在一定程度上減小低次電流諧波[14]。電路的不足之處是：電路工作在DCM下，THD仍比較大。這種電路己在空調(diào)器中使用[15]。

圖25所示為雙開(kāi)關(guān)諧振型三相PFC電路[16]。在該電路中，開(kāi)關(guān)（S1，S2）、三個(gè)串聯(lián)L－C電路和由D7～D12組成的三相全橋電路一起組成諧振開(kāi)關(guān)網(wǎng)

圖24三相雙開(kāi)關(guān)兩電平PFC電路電流示意圖

圖23三相雙開(kāi)關(guān)兩電平PFC電路

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三相功率因數(shù)校正（PFC）技術(shù)的綜述(2)

圖25三相雙開(kāi)關(guān)諧振型PFC電路

圖26三相雙開(kāi)關(guān)三電平PFC主電路及控制框圖

圖27三相雙開(kāi)關(guān)三電平PFC并聯(lián)電路

圖28三相單開(kāi)關(guān)PFC交錯(cuò)并聯(lián)與三相雙開(kāi)關(guān)PFC交錯(cuò)并聯(lián)在不同的輸入電壓下THD的比較

絡(luò)。電路中Boost電感（La，Lb，Lc）比諧振電感（L1，L2，L3）的電感值大許多。諧振開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)通過(guò)建立諧振電壓和L－C的諧振電流來(lái)改變輸入電感上的電流，從而減小THD。電路工作時(shí)Boost電感上的電流是連續(xù)的。電路的優(yōu)點(diǎn)是開(kāi)關(guān)S1，S2是在零電壓下導(dǎo)通（ZVS），電路工作在CCM下，THD較小，電路控制較簡(jiǎn)單。該電路的缺點(diǎn)是通過(guò)開(kāi)關(guān)管的電流最大值是三個(gè)諧振電感的諧振電流之和，這就要求開(kāi)關(guān)管的電流容量要大。另外，電路使用的元器件比較多，成本高。

圖26中的電路通過(guò)輸入端Y型接法的3個(gè)電容構(gòu)成的中點(diǎn)與兩只串聯(lián)的開(kāi)關(guān)中點(diǎn)和兩個(gè)串聯(lián)輸出電容的中點(diǎn)相聯(lián)接構(gòu)成三電平電路[17]。電路可以工作在CCM或DCM方式下。文獻(xiàn)[17]中提出一種工作在CCM下的控制方法。這種控制方法是通過(guò)開(kāi)關(guān)S1和S2分別控制正向電壓最大相和負(fù)向電壓最大相的電流來(lái)實(shí)現(xiàn)的。圖26中同時(shí)給出了這種控制方法的控制框圖。在電路工作時(shí)開(kāi)關(guān)管所承受的最大電壓只有輸出電壓的一半，這就可以選擇耐壓參數(shù)小而開(kāi)關(guān)速度快的半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件（如MOSFET）以提高開(kāi)關(guān)頻率。同時(shí)電路工作在CCM下，THD較小，前端的EMI濾波器可以設(shè)計(jì)得比較小。缺點(diǎn)是需要檢測(cè)的控制量比較多，控制比較復(fù)雜。文獻(xiàn)[18]中提出一種電路工作在DCM與CCM臨界情況下的控制方法。由于電路工作在DCM下，需要較大EMI濾波器。為了進(jìn)一步減小輸入電流的THD值，從而減小EMI濾波器，可以通過(guò)兩個(gè)雙開(kāi)關(guān)三電平電路并聯(lián)的方法來(lái)達(dá)到這個(gè)目的，并聯(lián)電路如圖27所示[19]。這種交錯(cuò)并聯(lián)方法與三相單開(kāi)關(guān)PFC電路的交錯(cuò)并聯(lián)思想是一致的。三相單開(kāi)關(guān)PFC交錯(cuò)并聯(lián)(圖18)與三相雙開(kāi)關(guān)PFC交錯(cuò)并聯(lián)(圖27)的THD在不同的輸入電壓的比較如圖28所示[19]，效率比較如圖29所示[19]。

文獻(xiàn)[20]和文獻(xiàn)[21]分別提出了一種含三相隔離變壓器接口（IFT）的三相Buck型和Boost型的PFC電路，如圖30及圖31所示?；舅枷胧且肓艘粋€(gè)IFT，其輸出端電流為輸入端電流iN的1/3，在此條件下，輸入相電流iA,iB,iC和整流橋輸出電流iP,iQ存在一一映射關(guān)系。整流橋之后是兩個(gè)Buck或BoostPFC電路的串聯(lián)。以圖30為例，在Va>0>Vc>Vb時(shí)上橋臂的D1和下橋臂的D5導(dǎo)通

iX=iP；iY=iQ；iZ=0

iA=iX－iX′；iB=iY－iY′；iC=iZ－iZ′（5）

圖29三相單開(kāi)關(guān)PFC交錯(cuò)并聯(lián)與三相雙開(kāi)關(guān)PFC交錯(cuò)并聯(lián)在不同的輸入電壓下效率的比較

圖30含IFT的三相Buck型PFC電路

圖31含IFT的三相Boost型PFC電路

圖32三相三開(kāi)關(guān)三電平PFC電路

iX′=iY′=iZ′=iN/3（6）

iN=iP－iQ（7）

由式（5）、（6）、（7）可以得出iP,iQ與iA,iB,iC的關(guān)系

iP=2iA＋iB；iQ=－(iA＋2iB)(8)

在這時(shí)（Va>0>Vc>Vb）iA,iB分別為正的最大電流和負(fù)的最大電流。在整個(gè)周期內(nèi)式（8）可寫(xiě)成

iP=2i＋max＋i－max；iQ=－(i＋max＋2i－max)

所以只要iP,iQ的參考iP＊,iQ＊與iA,iB,iC的參考iA＊,iB＊,iC＊滿(mǎn)足

iP＊=2i＊＋max＋i＊－max；iQ＊=－（i＊＋max＋2i＊－max）

就可以通過(guò)控制iP,iQ來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)三相輸入電流的控制。由于電路等效成兩個(gè)單相PFC串聯(lián)，因而可采用單相PFC的控制技術(shù)，使iP,iQ跟隨電流給定iP＊,iQ＊，根據(jù)映射關(guān)系，輸入電流iA,iB,iC也將跟隨給定電流iA＊,iB＊,iC＊，從而可實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)為1。這種電路的優(yōu)點(diǎn)是開(kāi)關(guān)少，控制簡(jiǎn)單，可采用任何單相PFC的技術(shù)；缺點(diǎn)是需要一個(gè)容量相當(dāng)大的IFT（約大于輸入總功率的20％），由于IFT工作在低頻，這必然增加變換器的成本和體積。

6三相三開(kāi)關(guān)PFC電路

三相三開(kāi)關(guān)PFC電路如圖32所示，其中開(kāi)關(guān)S1，S2，S3是雙向開(kāi)關(guān)。由于電路的對(duì)稱(chēng)性，電容中點(diǎn)電位VM與電網(wǎng)中點(diǎn)的電位近似相同，因而通過(guò)雙向開(kāi)關(guān)S1、S2、S3可分別控制對(duì)應(yīng)相上的電流。開(kāi)關(guān)合上時(shí)對(duì)應(yīng)相上的電流幅值增大，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)對(duì)應(yīng)橋臂上的二極管導(dǎo)通（電流為正時(shí)，上臂二極管導(dǎo)通；電流為負(fù)時(shí)，下臂二極管導(dǎo)通），在輸出電壓的作用下Boost電感上的電流減小，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的控制。這種電路還有一些類(lèi)似的變形電路如圖33到圖36所示。這些電路可以采用滯環(huán)控制或空間矢量法控制。另外有些文獻(xiàn)提出讓對(duì)應(yīng)相上的開(kāi)關(guān)在該相電壓正向過(guò)零和負(fù)向過(guò)零時(shí)開(kāi)始各導(dǎo)通30°，其余時(shí)間開(kāi)關(guān)關(guān)斷，這樣來(lái)實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正[22]。這樣控制的優(yōu)點(diǎn)是控制簡(jiǎn)單，另外開(kāi)關(guān)頻率只是網(wǎng)側(cè)開(kāi)關(guān)頻率的2倍，因而可以選用頻率比較低的開(kāi)關(guān)器件，系統(tǒng)成本較低。但是這樣控制方法下THD比較大，Boost電感值要取得比較大。在文獻(xiàn)[23]和文獻(xiàn)[24]中提出的對(duì)三相三開(kāi)關(guān)及其類(lèi)似電路的控制方法下，可以把這些電路分成兩類(lèi)：一類(lèi)是兩個(gè)單相Boost電路串聯(lián)起來(lái)的如圖32、圖33、圖34，這些電路都有兩個(gè)串聯(lián)在一起的輸出電容。另一類(lèi)是兩個(gè)單相Boost電路并聯(lián)，如圖35、圖36所示，這些電路只有一個(gè)輸出直流電容。文獻(xiàn)中提出的控制方法是:在一個(gè)網(wǎng)側(cè)電壓周期的360°內(nèi)，選擇一個(gè)60°區(qū)域，如Va>Vb>0，Vc<0時(shí)讓Sb合上。這時(shí)電路就可以等效成兩個(gè)單相Boost電路串聯(lián)或并聯(lián)。這樣就可以用單相PFC的控制技術(shù)對(duì)電路進(jìn)行控制。這種控制方法與滯環(huán)控制相比有個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是在任何時(shí)刻只有2只開(kāi)關(guān)管是工作在高頻情況下，因而損耗較小。但這種控制方法要三相解碼電路來(lái)選擇工作區(qū)。另外，在Boost電感放在直流側(cè)時(shí)，交流側(cè)有直通短路危險(xiǎn)。

圖32中的雙向開(kāi)關(guān)用1只MOSFET器件和4只整流二極管組成的整流橋相聯(lián)接構(gòu)成的雙向開(kāi)關(guān)來(lái)

三相功率因數(shù)校正（PFC）技術(shù)的綜述(2)

圖37J.W.Kolar等提出的三相三開(kāi)關(guān) 三電平PFC電路及控制框圖

圖38三相四開(kāi)關(guān)PFC電路

代替，就形成了J.W.Kolar等提出的三相三開(kāi)關(guān)三電平PFC電路，如圖37所示[25]。這種電路的優(yōu)點(diǎn)是開(kāi)關(guān)所承受的電壓只有輸出電壓的一半，因此可采用MOSFET器件。輸入電流為CCM方式，因此變換效率高。電路缺點(diǎn)是每個(gè)橋臂要使用6只二極管，其中有2只為快速恢復(fù)二極管，器件數(shù)目多。圖37中同時(shí)給出了這種電路的控制框圖。

7三相四開(kāi)關(guān)PFC電路

三相四開(kāi)關(guān)PFC電路如圖38所示[26]。該電路與半臂控制電路（只對(duì)整流橋上半臂或下半臂進(jìn)行控制，而另外半臂則使用整流二極管器件）相比，只是增加了一橋臂（由圖中S4與D4組成）和接在輸入側(cè)用來(lái)構(gòu)造中點(diǎn)電壓的3個(gè)Y型接法R－L電路。在電壓的正半周通過(guò)可控的半臂（S1，S2，S3）進(jìn)行控制，而在負(fù)半周則通過(guò)第4橋臂（S4，D4）來(lái)控制。該電路與六開(kāi)關(guān)整流器相比沒(méi)有直通短路危險(xiǎn)，而且少用2只開(kāi)關(guān)。但是這種電路電流正負(fù)半波不對(duì)稱(chēng)，電流存在偶次諧波。文獻(xiàn)[26]中通過(guò)兩個(gè)模塊并聯(lián)的方法，一個(gè)模塊上半臂可控，另一個(gè)模塊下半臂可控，這樣可以使總的輸入電流正負(fù)半波對(duì)稱(chēng)，從而消除了電流的偶次諧波。電路圖如圖39所示。

8三相PFC近年研究熱點(diǎn)

三相PFC電路可以使輸入電流近似正弦波，通過(guò)控制使輸出電壓不會(huì)因輸入電壓波動(dòng)而波動(dòng)，與

圖33串聯(lián)雙Boost三相PFC電路1

圖34串聯(lián)雙Boost三相PFC電路2

圖35三相三開(kāi)關(guān)兩電平PFC電路1

圖36三相三開(kāi)關(guān)兩電平PFC電路2

圖39三相四開(kāi)關(guān)PFC電路并聯(lián)

二極管整流電路相比有很明顯的優(yōu)勢(shì)，成為近年電力電子技術(shù)研究的重要方面。近年來(lái)三相PFC研究主要集中在以下方面：

1）新穎的三相PFC電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究。

2）三電平、交錯(cuò)并聯(lián)等技術(shù)以減小輸入諧波和EMI濾波器的研究。

3）軟開(kāi)關(guān)技術(shù)在三相PFC電路中的應(yīng)用。

4）三相單級(jí)PFC電路的研究。

參考文獻(xiàn)

[1]S.Y.R.Hui,H.Chung,Y.K.E.Ho,Y.S.Lee.Modular

DevelopmentofSingle?Stage3?PhasePFCUsingSingle?PhaseStep?DownConverters[C].IEEEPESC1998:776－781.

[2]RajapandianAyyanar,NedMohan,JianSun.Single?Stage

Three?PhasePower?Factor?CorrectionCircuitUsingThreeIsolatedSingle?PhaseSEPICConvertersOperatinginCCM[C].IEEEPESC2000.

[3]G.Spiazzi,F.C.Lee.ImplementationofSingle?Phase

BoostPowerFactorCorrectionCircuitsinThree?PhaseApplications[C].20thInternationalConferenceon,Volume:1,1994:250－255.

[4]TognoliniM.,RuferA.?Ch.ADSPbasedControlfora

SymmetricalThree?PhaseTwo?SwitchPFC?PowerSupplyforVariableOutputVoltage[C].IEEEPESC1996:1588－1594.

[5]A.R.PRASAD,P.D.ZIOGAS,S.MANIAS.AnActive

PowerFactorCorrectionTechniqueForThree?PhaseDiodeRectifiers[C].IEEEPESC1989:58－66.

[6]徐德鴻.三相高功率因數(shù)整流器的發(fā)展與現(xiàn)狀[C],第十

三屆中國(guó)國(guó)際電源新技術(shù)研討會(huì)論文集.昆明，1994：126－133.

[7]QihongHuang,FredC.Lee.HarmonicReductionInA

Single?Switch,Three?PhaseBoostRectifierWithHighOrderHarmonicInjectedPWM[C].PESC1996.

[8]YungtaekJang,MilanM.Jovanovic.ANewInput?Voltage

FeedforwardHarmonic?InjectionTechniqueWithNonlinearGainControlForSingle?Switch,Three?Phase,DCMBoostRectifiers[C].IEEEPESC1999.

[9]DomingoS.L.Simonetti,JavierSebastian,JavierUceda.

Single?SwitchThree?PhasePowerFactorPreregulatorUnderVariableSwitchingFrequencyandDiscontinuousInputCurrent[C].PESC1993.

[10]PeterM.Barbosa,FranciscoCanales,FredC.Lee.Design

AspectsofParalledThree?PhaseDCMBoostRectifiers[C].PESC1999.

[11]EsamIsmail,RobertW.Erickson.ASingleTransistor

ThreePhaseResonantSwitchforHighQualityRectification[C].PESC1992.

[12]HengchunMao,FredC.Lee,DushanBoroyevich.Review

ofHigh?PerformanceThree?PhasePower?FactorCorrectionCircuits[J].IndustrialElectronics,IEEETransactionson,Volume:44Issue:4,Aug.1997:437－446.

[13]JohannW.Lokar,HansErtl,FranzC.Zach.ANovel

Three?PhaseSingle?SwitchDiscontinuous?ModeAC?DCBuck?BoostConverterwithHigh?QualityInputCurrentWaveformsandIsolatedOutput[J].PowerElectronics,IEEETransactionson,Volume:9Issue:2,March1994:160－172.

[14]U.S.PATENTDOCUMENTS5,886,8913/1999[P]

YimingJiang,HengchunMao.

[15]U.S.PATENTDOCUMENTS5,654,8828/1997[P]

HidetoshiKanazawa.

[16]U.S.PATENTDOCUMENTS5,946,2038/1999[P]

HidetoshiKanazawa.

[17]JM.Zhang,Y.C.Ren,DavidM.Xu,F.Zhang,Zhaoming

Qian.Three?PhasePartly?DecoupledCCMPFCConverterControlledbyDSP[C].APEC2001.

[18]DavidM.Xu,C.Yang,J.H.Kong,ZhaomingQian.Quasi

Soft?SwitchingPartlyDecoupledThree?PhasePFCWithApproximateUnityPowerFactor[C].APEC1998.

[19]PeterBarbosa,FranciscoCanales,FredLee.Analysis

andEvaluationoftheTwo?SwitchThree?LevelBoostRectifier[C].IEEEPESC2001.

[20]YasuyukiNISHIDA.ANewSimpleTopologyfor

Three?PhaseBuck?ModePFCRectifier[C].APEC1996.

[21]YasuyukiNISHIDA,YukikoOHGOE.ASimple

Three?PhaseBoostModePFCRectifier.IndustryApplicationsConference[C].Thirty?FirstIASAnnualMeeting,IAS′96.,ConferenceRecordofthe1996IEEE,Volume:2,1996:1056－1061.

[22]EwaldoL.M.Mehl,IvoBarbi.DesignOrientedAnalysis

ofAHignPowerFactorandLowCostThree－PhaseRectifier[C].IEEEPESC1996:165－170.

[23]ChongmingQiao,KeyueM.Smedley.AGeneral

Three?PhasePFCControllerPartI.ForRectifierswithaParallel?ConnectedDualBoostTopology[C].IndustryApplicationsConference,1999.Thirty?FourthIASAnnualMeeting.ConferenceRecordofthe1999IEEE,Volume:4,1999:2504－2511.

[24]ChongmingQiao,KeyueM.Smedley.AGeneral

Three?PhasePFCControllerPartII.ForRectifierswithaParallel?ConnectedDualBoostTopology[C].IndustryApplicationsConference,1999.Thirty?FourthIASAnnualMeeting.ConferenceRecordofthe1999IEEE,Volume:4,1999:2512－2519.

[25]JohannW.Kolar,FranzC.Zach.ANovelThree?Phase

UtilityInterfaceMinimizingLineCurrentHarmonicsof

High?PowerTelecommunicationsRectifierModules[C].

TelecommunicationsEnergyConference,1994.INTELEC′94.,16thInternational,1994:367－374.

[26]B.N.Singh,GezaJoos,PraveenJain.Interleaved

3?PhaseAC/DCConvertersBasedona4SwitchTopology[C].IEEEPESC2000.

[27]VlatkoVlatkovicandDusanBorojecic.Digital?Signal?

Processor?BasedControlofThree?PhaseSpaceVectorModulatedConverters[J].IEEETransactionsonIndustrialElectronics,VOL.41,NO.3,June1994.

[28]YiminJiang,HengchunMao,FredC.Lee,andDusan

Borojevic.SimpleHighPerformanceThree?PhaseBoostRectifiers[C].PESC1994.