關(guān)鍵詞：三相整流器；諧波；功率因數(shù)校正

5三相雙開關(guān)PFC

在三相電路中，三相電流總共有3個自由度，而三相單開關(guān)PFC中只使用了1只開關(guān)管對電流進(jìn)行控制，加上三相電流之和為零這個條件，最多只能對2個自由度的量進(jìn)行控制。所以可以通過增加1只開關(guān)管來對三相電流進(jìn)行控制。圖23的電路中，用2只串聯(lián)的開關(guān)管代替圖8上的單管，并在輸入端用3個Y型接法的電容來構(gòu)造浮動中點，這個中點與兩只串聯(lián)開關(guān)管的中點相聯(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Boost電感是同時充電或放電的，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間上是錯開的，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〕，這就使電感放電時間縮短，即縮短了電感電流平均值與輸入電壓瞬時值的非線性階段，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所示為雙開關(guān)諧振型三相PFC電路[16]。在該電路中，開關(guān)（S1，S2）、三個串聯(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關(guān)網(wǎng)

圖24三相雙開關(guān)兩電平PFC電路電流示意圖

圖23三相雙開關(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25三相雙開關(guān)諧振型PFC電路

圖26三相雙開關(guān)三電平PFC主電路及控制框圖

圖27三相雙開關(guān)三電平PFC并聯(lián)電路

圖28三相單開關(guān)PFC交錯并聯(lián)與三相雙開關(guān)PFC交錯并聯(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。諧振開關(guān)網(wǎng)絡(luò)通過建立諧振電壓和L－C的諧振電流來改變輸入電感上的電流，從而減小THD。電路工作時Boost電感上的電流是連續(xù)的。電路的優(yōu)點是開關(guān)S1，S2是在零電壓下導(dǎo)通（ZVS），電路工作在CCM下，THD較小，電路控制較簡單。該電路的缺點是通過開關(guān)管的電流最大值是三個諧振電感的諧振電流之和，這就要求開關(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中的電路通過輸入端Y型接法的3個電容構(gòu)成的中點與兩只串聯(lián)的開關(guān)中點和兩個串聯(lián)輸出電容的中點相聯(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開關(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實現(xiàn)的。圖26中同時給出了這種控制方法的控制框圖。在電路工作時開關(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)小而開關(guān)速度快的半導(dǎo)體開關(guān)器件（如MOSFET）以提高開關(guān)頻率。同時電路工作在CCM下，THD較小，前端的EMI濾波器可以設(shè)計得比較小。缺點是需要檢測的控制量比較多，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，可以通過兩個雙開關(guān)三電平電路并聯(lián)的方法來達(dá)到這個目的，并聯(lián)電路如圖27所示[19]。這種交錯并聯(lián)方法與三相單開關(guān)PFC電路的交錯并聯(lián)思想是一致的。三相單開關(guān)PFC交錯并聯(lián)(圖18)與三相雙開關(guān)PFC交錯并聯(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€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Buck或BoostPFC電路的串聯(lián)。以圖30為例，在Va>0>Vc>Vb時上橋臂的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29三相單開關(guān)PFC交錯并聯(lián)與三相雙開關(guān)PFC交錯并聯(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（Va>0>Vc>Vb）iA,iB分別為正的最大電流和負(fù)的最大電流。在整個周期內(nèi)式（8）可寫成

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＊滿足

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

就可以通過控制iP,iQ來實現(xiàn)對三相輸入電流的控制。由于電路等效成兩個單相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＊，從而可實現(xiàn)功率因數(shù)為1。這種電路的優(yōu)點是開關(guān)少，控制簡單，可采用任何單相PFC的技術(shù)；缺點是需要一個容量相當(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。

6三相三開關(guān)PFC電路

三相三開關(guān)PFC電路如圖32所示，其中開關(guān)S1，S2，S3是雙向開關(guān)。由于電路的對稱性，電容中點電位VM與電網(wǎng)中點的電位近似相同，因而通過雙向開關(guān)S1、S2、S3可分別控制對應(yīng)相上的電流。開關(guān)合上時對應(yīng)相上的電流幅值增大，開關(guān)斷開時對應(yīng)橋臂上的二極管導(dǎo)通（電流為正時，上臂二極管導(dǎo)通；電流為負(fù)時，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，從而實現(xiàn)對電流的控制。這種電路還有一些類似的變形電路如圖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)提出讓對應(yīng)相上的開關(guān)在該相電壓正向過零和負(fù)向過零時開始各導(dǎo)通30°，其余時間開關(guān)關(guān)斷，這樣來實現(xiàn)功率因數(shù)校正[22]。這樣控制的優(yōu)點是控制簡單，另外開關(guān)頻率只是網(wǎng)側(cè)開關(guān)頻率的2倍，因而可以選用頻率比較低的開關(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]中提出的對三相三開關(guān)及其類似電路的控制方法下，可以把這些電路分成兩類：一類是兩個單相Boost電路串聯(lián)起來的如圖32、圖33、圖34，這些電路都有兩個串聯(lián)在一起的輸出電容。另一類是兩個單相Boost電路并聯(lián)，如圖35、圖36所示，這些電路只有一個輸出直流電容。文獻(xiàn)中提出的控制方法是:在一個網(wǎng)側(cè)電壓周期的360°內(nèi)，選擇一個60°區(qū)域，如Va>Vb>0，Vc<0時讓Sb合上。這時電路就可以等效成兩個單相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)對電路進(jìn)行控制。這種控制方法與滯環(huán)控制相比有個優(yōu)點就是在任何時刻只有2只開關(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選擇工作區(qū)。另外，在Boost電感放在直流側(cè)時，交流側(cè)有直通短路危險。

圖32中的雙向開關(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)成的雙向開關(guān)來

三相功率因數(shù)校正（PFC）技術(shù)的綜述(2)

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

圖38三相四開關(guān)PFC電路

代替，就形成了J.W.Kolar等提出的三相三開關(guān)三電平PFC電路，如圖37所示[25]。這種電路的優(yōu)點是開關(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。電路缺點是每個橋臂要使用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中同時給出了這種電路的控制框圖。

7三相四開關(guān)PFC電路

三相四開關(guān)PFC電路如圖38所示[26]。該電路與半臂控制電路（只對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)用來構(gòu)造中點電壓的3個Y型接法R－L電路。在電壓的正半周通過可控的半臂（S1，S2，S3）進(jìn)行控制，而在負(fù)半周則通過第4橋臂（S4，D4）來控制。該電路與六開關(guān)整流器相比沒有直通短路危險，而且少用2只開關(guān)。但是這種電路電流正負(fù)半波不對稱，電流存在偶次諧波。文獻(xiàn)[26]中通過兩個模塊并聯(lián)的方法，一個模塊上半臂可控，另一個模塊下半臂可控，這樣可以使總的輸入電流正負(fù)半波對稱，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

三相PFC電路可以使輸入電流近似正弦波，通過控制使輸出電壓不會因輸入電壓波動而波動，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35三相三開關(guān)兩電平PFC電路1

圖36三相三開關(guān)兩電平PFC電路2

圖39三相四開關(guān)PFC電路并聯(lián)

二極管整流電路相比有很明顯的優(yōu)勢，成為近年電力電子技術(shù)研究的重要方面。近年來三相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）軟開關(guān)技術(shù)在三相PFC電路中的應(yīng)用。

4）三相單級PFC電路的研究。

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