Buck型三相功率因數(shù)校正技術(shù)的發(fā)展

Buck型三相功率因數(shù)校正技術(shù)的發(fā)展

摘要：綜述了Buck型三相PFC技術(shù)近年來(lái)的發(fā)展概況，特別是其中軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的發(fā)展。分析了具有代表意義的拓?fù)浼捌鋬?yōu)缺點(diǎn)，并討論了存在的問(wèn)題和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：功率因數(shù)校正；軟開(kāi)關(guān)；三相整流器；Buck型變換器

1? 引言

??? 隨著電力質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的日益嚴(yán)格，PFC技術(shù)已成為電力電子領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)。由于單相PFC技術(shù)已經(jīng)實(shí)用化、產(chǎn)品化，于是許多學(xué)者將研究重點(diǎn)放在了三相PFC技術(shù)上（盡管不可控整流功率因數(shù)校正的研究已經(jīng)取得了一定進(jìn)展，但還是很難滿足質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，故本文只針對(duì)全控型）。提到三相PFC技術(shù)，很容易想到慣用的Boost＋DC/DC拓?fù)洌?，如果要求輸出電壓低?.12V，或輸出電壓大范圍可調(diào)時(shí)，則Buck型是一個(gè)比較好的選擇。另外，Buck型還具有開(kāi)關(guān)應(yīng)力小及短路保護(hù)功能、不存在浪涌電流問(wèn)題等優(yōu)點(diǎn)。所以，Buck型值得深入研究。近年來(lái)，隨著相關(guān)技術(shù)如軟開(kāi)關(guān)技術(shù)和各種控制策略的發(fā)展，Buck型PFC拓?fù)湟踩〉昧碎L(zhǎng)足發(fā)展。本文的目的就在于追蹤這種發(fā)展。

??? 通常，判斷一個(gè)功率因數(shù)校正拓?fù)涞膬?yōu)劣，有以下5個(gè)要求：1)高功率因數(shù)；2)輸入電流波形畸變小；3)快速的輸出電壓調(diào)節(jié)；4)變壓器隔離；5)高效率和高功率密度。本文評(píng)價(jià)各種新拓?fù)浜托驴刂撇呗跃鸵源藶闃?biāo)準(zhǔn)。

2? 拓?fù)涞陌l(fā)展

2.1? 基本拓?fù)浜凸ぷ髂Ｊ?

??? Buck型三相PFC變換器的基本拓?fù)淙鐖D1（a）所示(以后的拓?fù)涠际÷暂斎隠C濾波網(wǎng)絡(luò))。要實(shí)現(xiàn)電感L電流連續(xù)而線電壓不短路，要求上下橋臂必須各有一開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，而且只能各有一個(gè)導(dǎo)通。所有PWM策略，基本上都是改進(jìn)的“六步法”[1]，如圖1（b）所示?！傲椒ā本褪前岩粋€(gè)工頻周期以相電壓過(guò)零點(diǎn)分成六段,在每段中有2個(gè)線電壓同極性。在每段中，具有最高或最低電壓的相一直導(dǎo)通，而調(diào)節(jié)其它兩相的導(dǎo)通時(shí)間，以實(shí)現(xiàn)電流跟蹤電壓，即功率因數(shù)校正。

（a） 基本拓?fù)?

(b) 六步法

圖1? 基本拓?fù)浜土椒?

2.2? 加直流側(cè)開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)

??? 盡管Buck型拓?fù)渲虚_(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力相對(duì)Boost已經(jīng)降低許多，但由于在三相條件下，應(yīng)力還是較高。為實(shí)現(xiàn)高頻化，需要進(jìn)一步降低開(kāi)關(guān)應(yīng)力，所以，許多文獻(xiàn)開(kāi)始了針對(duì)Buck型PFC拓?fù)涞能涢_(kāi)關(guān)研究。圖2的策略是在直流側(cè)增加一個(gè)有源開(kāi)關(guān)Qdc。Qdc在所有橋臂開(kāi)關(guān)關(guān)閉之前關(guān)閉；在所有橋臂開(kāi)關(guān)開(kāi)通之后開(kāi)通。這樣所有的橋臂開(kāi)關(guān)的應(yīng)力和開(kāi)關(guān)損耗都集中到Qdc上，從而實(shí)現(xiàn)橋臂開(kāi)關(guān)的軟開(kāi)關(guān)。選擇快速開(kāi)關(guān)來(lái)充當(dāng)Qdc可以減小開(kāi)關(guān)損耗，增加諧振網(wǎng)絡(luò)可以進(jìn)一步降低Qdc的應(yīng)力。

圖2? 加直流側(cè)開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)

??? 該拓?fù)鋵虮坶_(kāi)關(guān)的應(yīng)力集中到Qdc上，而且沒(méi)有實(shí)現(xiàn)隔離。把這一思想進(jìn)一步推廣，用移相全橋變換器代替直流開(kāi)關(guān)，就得到如圖3所示的拓?fù)鋄2]。由于移相全橋能降低本身開(kāi)關(guān)應(yīng)力，所以該拓?fù)涞乃虚_(kāi)關(guān)應(yīng)力都很小。但其開(kāi)關(guān)數(shù)目多，控制復(fù)雜，功率密度不高，而且存在移相全橋的固有問(wèn)題——占空比丟失，將造成輸入電流波形畸變和輸出電壓紋波。

圖3? Buck＋移相全橋?qū)崿F(xiàn)軟開(kāi)關(guān)

2.3? 增加諧振網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)

??? 文獻(xiàn)[3]中提出的軟開(kāi)關(guān)策略如圖4所示。其原理是，當(dāng)主開(kāi)關(guān)準(zhǔn)備改變狀態(tài)時(shí)，相應(yīng)的輔助開(kāi)關(guān)開(kāi)通，這樣主電流轉(zhuǎn)移到輔助網(wǎng)絡(luò)，造成零電流開(kāi)通、關(guān)斷條件。

圖4? 輔助網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)（1）

??? 該拓?fù)浔M管能實(shí)現(xiàn)主開(kāi)關(guān)和輔助開(kāi)關(guān)的零電流開(kāi)關(guān)條件，但顯然開(kāi)關(guān)數(shù)目多，輔助元器件多，電路復(fù)雜，控制困難，且沒(méi)有隔離，很難走向?qū)嵱没?

??? 文獻(xiàn)[4]提出的拓?fù)淙鐖D5所示。其優(yōu)點(diǎn)是軟開(kāi)關(guān)的實(shí)現(xiàn)與負(fù)載無(wú)關(guān)，但依然存在上述缺點(diǎn)。

圖5? 輔助網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)（2）

??? 文獻(xiàn)[5]提出的軟開(kāi)關(guān)拓?fù)淙鐖D6所示。該拓?fù)溥\(yùn)用修改的PWM方案實(shí)現(xiàn)ZCS。兩個(gè)要換流的開(kāi)關(guān)有一定時(shí)間的重疊，在輔助網(wǎng)絡(luò)的作用下，實(shí)現(xiàn)電流漸進(jìn)交替，而降低開(kāi)關(guān)應(yīng)力。

圖6? 輔助網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)（3）

??? 上述三個(gè)運(yùn)用諧振輔助網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)的拓?fù)涠紱](méi)有實(shí)現(xiàn)隔離。為實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)，必須有橋臂單向二極管的存在；但是，單向二極管的存在，使得該拓?fù)渲荒芄ぷ髟诘谝幌笙?，直接加變壓器隔離將造成變壓器飽和。

2.4? 運(yùn)用移相原理實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)

??? 其拓?fù)淙鐖D7[6]所示?？梢钥闯?，該拓?fù)渲皇怯米儔浩鞔媪嘶就負(fù)涞臑V波電感，運(yùn)用修改的PWM策略，引入移相全橋的軟開(kāi)關(guān)概念，而達(dá)到軟開(kāi)關(guān)目的。在每個(gè)時(shí)刻，只有兩個(gè)橋臂導(dǎo)通，由于開(kāi)關(guān)頻率遠(yuǎn)大于輸入電壓變換頻率，可以認(rèn)為在該時(shí)刻輸入電壓不變，而引入DC/DC中的移相全橋軟開(kāi)關(guān)策略。

圖7? 運(yùn)用移相原理實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)

??? 由于該策略巧妙地利用變壓器漏感和開(kāi)關(guān)管的寄生電容實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)，并能充分利用MOSFET體內(nèi)的反向二極管，使得該拓?fù)滹@得簡(jiǎn)練，是比較理想的選擇。只是在現(xiàn)有的PWM控制策略下，還存在如下問(wèn)題：1)不能實(shí)現(xiàn)所有開(kāi)關(guān)全面軟開(kāi)關(guān)；2)開(kāi)關(guān)必須由一個(gè)N型和一個(gè)P型MOSFET串聯(lián)組成；3)存在移相全橋的固有問(wèn)題。

3? 建模、仿真和控制的發(fā)展

??? 電力電子線路是非線性系統(tǒng)，三相系統(tǒng)又存在強(qiáng)耦合，所以，Buck型三相系統(tǒng)的建模非常困難。文獻(xiàn)[7]用時(shí)變電阻代替開(kāi)關(guān)器件對(duì)三相Boost整流器進(jìn)行建模、仿真，該方法很容易運(yùn)用到Buck電路中。目前也有運(yùn)用坐標(biāo)變換而得到三相解耦模型。文獻(xiàn)[8]中給出了三相Buck型小信號(hào)模型，為進(jìn)行變換器前后級(jí)濾波器設(shè)計(jì)和穩(wěn)定性分析奠定了基礎(chǔ)，文獻(xiàn)[9]在此基礎(chǔ)上分析了三相不平衡輸入的工作情況。文獻(xiàn)[2]給出了圖3中的大信號(hào)模型，從根本上分析了由于占空比丟失而造成的輸入電流波形畸變和輸出電壓紋波，并提出了改進(jìn)的控制策略。

??? 仿真一般有兩種選擇，即運(yùn)用現(xiàn)有軟件和自己編程。運(yùn)用現(xiàn)有軟件一般存在2個(gè)問(wèn)題，一是由于大量開(kāi)關(guān)的存在，不可能獲得足夠長(zhǎng)時(shí)間的仿真結(jié)果；二是收斂問(wèn)題。針對(duì)這些問(wèn)題有的學(xué)者提出了Matlab和Pspice相結(jié)合的仿真方法，該方法對(duì)仿真三相整流器應(yīng)該有所幫助。由于Buck拓?fù)涞膶?shí)時(shí)PWM控制信號(hào)的產(chǎn)生要經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換或空間矢量計(jì)算，這些很難在仿真軟件實(shí)現(xiàn)，而自己編寫(xiě)程序，可以把復(fù)雜的控制策略包含在程序中[7]。

??? 三相Buck型整流器實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正的基本策略是“六步法”或空間矢量調(diào)制法。所有的新拓?fù)浜托驴刂品椒ǘ际窃诖嘶A(chǔ)上的修改版本，以改善某些性能或優(yōu)化某些參數(shù)。如把移相全橋的軟開(kāi)關(guān)策略引入而降低開(kāi)關(guān)應(yīng)力。

4? 存在問(wèn)題

??? 1)軟開(kāi)關(guān)問(wèn)題

??? 盡管前面已經(jīng)提到許多軟開(kāi)關(guān)策略，但都還存在各自的不足。只有研究出一種完全滿足引言中所述5個(gè)要求的拓?fù)洌郆uck型拓?fù)洳拍茏呦蚋哳l化，實(shí)用化。

??? 2)濾波器設(shè)計(jì)問(wèn)題

??? 由于Buck型的輸入電流斷續(xù)，所以必須在前級(jí)加LC濾波網(wǎng)絡(luò)；但LC網(wǎng)絡(luò)的增加將使輸入電流和電壓產(chǎn)生相位差，而降低功率因數(shù)。因此，必須優(yōu)化設(shè)計(jì)該LC網(wǎng)絡(luò)，使它既能滿足濾波要求，又對(duì)功率因數(shù)影響不大。

??? 3)系統(tǒng)干擾問(wèn)題

??? 這是所有三相整流系統(tǒng)都存在的問(wèn)題，在Buck型中顯得更為突出。三相系統(tǒng)是高容量系統(tǒng)，要求輸入電阻?。坏捎谥C波標(biāo)準(zhǔn)的要求，濾波器不能任意小，這矛盾如何平衡？

??? 4)數(shù)字化實(shí)現(xiàn)問(wèn)題

??? 數(shù)字電路不存在老化問(wèn)題，而且比模擬電路容易實(shí)現(xiàn)，所以數(shù)字化也是變換器發(fā)展方向之一。但由于數(shù)字化存在采樣和計(jì)算時(shí)間的延遲，如何簡(jiǎn)化計(jì)算程序并且補(bǔ)償延遲，將是實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制必須解決的問(wèn)題。

5? 結(jié)語(yǔ)

??? 三相Buck型PFC變換器日益吸引人們的注意力。前述存在問(wèn)題將是推動(dòng)其發(fā)展的動(dòng)力，也是其發(fā)展的方向。特別是隨著三相Boost型變換器技術(shù)、軟開(kāi)關(guān)技術(shù)、逆變技術(shù)的發(fā)展和日益成熟，其中的很多技術(shù)可以引入三相Buck型PFC變換器，使其逐步完善，進(jìn)而實(shí)用化、產(chǎn)品化。