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)近年來的發(fā)展概況，特別是其中軟開關(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)，并討論了存在的問題和未來發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：功率因數(shù)校正；軟開關(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)，故本文只針對全控型）。提到三相PFC技術(shù)，很容易想到慣用的Boost＋DC/DC拓?fù)?，但是，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型還具有開關(guān)應(yīng)力小及短路保護(hù)功能、不存在浪涌電流問題等優(yōu)點(diǎn)。所以，Buck型值得深入研究。近年來，隨著相關(guān)技術(shù)如軟開關(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?。?)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。“六步法”就是把一個(gè)工頻周期以相電壓過零點(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)開關(guān)實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)

??? 盡管Buck型拓?fù)渲虚_關(guān)管的電壓應(yīng)力相對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)一步降低開關(guān)應(yīng)力，所以，許多文獻(xiàn)開始了針對Buck型PFC拓?fù)涞能涢_關(guān)研究。圖2的策略是在直流側(cè)增加一個(gè)有源開關(guān)Qdc。Qdc在所有橋臂開關(guān)關(guān)閉之前關(guān)閉；在所有橋臂開關(guān)開通之后開通。這樣所有的橋臂開關(guān)的應(yīng)力和開關(guān)損耗都集中到Qdc上，從而實(shí)現(xiàn)橋臂開關(guān)的軟開關(guān)。選擇快速開關(guān)來充當(dāng)Qdc可以減小開關(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)開關(guān)實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)

??? 該拓?fù)鋵虮坶_關(guān)的應(yīng)力集中到Qdc上，而且沒有實(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關(guān)應(yīng)力，所以該拓?fù)涞乃虚_關(guān)應(yīng)力都很小。但其開關(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)軟開關(guān)

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

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

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

??? 該拓?fù)浔M管能實(shí)現(xiàn)主開關(guān)和輔助開關(guān)的零電流開關(guān)條件，但顯然開關(guān)數(shù)目多，輔助元器件多，電路復(fù)雜，控制困難，且沒有隔離，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)是軟開關(guān)的實(shí)現(xiàn)與負(fù)載無關(guān)，但依然存在上述缺點(diǎn)。

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

??? 文獻(xiàn)[5]提出的軟開關(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，而降低開關(guān)應(yīng)力。

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

??? 上述三個(gè)運(yùn)用諧振輔助網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)的拓?fù)涠紱]有實(shí)現(xiàn)隔離。為實(shí)現(xiàn)軟開關(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蓿苯蛹幼儔浩鞲綦x將造成變壓器飽和。

2.4? 運(yùn)用移相原理實(shí)現(xiàn)軟開關(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關(guān)概念，而達(dá)到軟開關(guān)目的。在每個(gè)時(shí)刻，只有兩個(gè)橋臂導(dǎo)通，由于開關(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中的移相全橋軟開關(guān)策略。

圖7? 運(yùn)用移相原理實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)

??? 由于該策略巧妙地利用變壓器漏感和開關(guān)管的寄生電容實(shí)現(xiàn)軟開關(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，還存在如下問題：1)不能實(shí)現(xiàn)所有開關(guān)全面軟開關(guān)；2)開關(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)變電阻代替開關(guān)器件對三相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型小信號模型，為進(jìn)行變換器前后級濾波器設(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)問題，一是由于大量開關(guān)的存在，不可能獲得足夠長時(shí)間的仿真結(jié)果；二是收斂問題。針對這些問題有的學(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控制信號的產(chǎn)生要經(jīng)過坐標(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關(guān)策略引入而降低開關(guān)應(yīng)力。

4? 存在問題

??? 1)軟開關(guān)問題

??? 盡管前面已經(jīng)提到許多軟開關(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)?，三相Buck型拓?fù)洳拍茏呦蚋哳l化，實(shí)用化。

??? 2)濾波器設(shè)計(jì)問題

??? 由于Buck型的輸入電流斷續(xù)，所以必須在前級加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，又對功率因數(shù)影響不大。

??? 3)系統(tǒng)干擾問題

??? 這是所有三相整流系統(tǒng)都存在的問題，在Buck型中顯得更為突出。三相系統(tǒng)是高容量系統(tǒng)，要求輸入電阻小；但由于諧波標(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)問題

??? 數(shù)字電路不存在老化問題，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題。

5? 結(jié)語

??? 三相Buck型PFC變換器日益吸引人們的注意力。前述存在問題將是推動其發(fā)展的動力，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。