由单相功率因数校正PFC实现三相PFC的方案介绍

1、由单相功率因数校正pfc实现三相pfc的方案介绍引言电力电子装置的广泛应用，给公用电网造成严重污染，谐波和无功问题口益受到 重视。为了减轻电力污染的危害程度，许多国家纷纷制定了相应的标准，如国际电工委员会 的谐波标准ieee555-2和iec-1000-3-2等。功率因数校正(power factor correction,简称pfc)技术，尤其是有源功率因数校正(active power factorcorrection,简称apfc)技术可以有效的抑制谐波，已成为研究的热点。单相apfc技术的研究比较成熟，已有不少商业化的专用控制芯片，如uc3854, irii50, lti508, ml

2、4819。与单相功率因数校正整流装置相比，三相pfc整流装置具有 许多优点：(1)输入功率高，功率额定值可达儿千瓦以上;(2)单相pfc整流装置输入功率是 一个两倍于工频变化的量，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 功率是一恒定值，三相pfc整流装置输出功率的脉动周期仅为单相全波整流的三分之一， 脉动系数低，因此可以使用容量较小的输出电容，从而可以实现更快的输出电压动态响应。三相apfc技术正成为众多学者研究的重点，但其实现有一定的困难，而且还未 见成熟的专用控制芯片。若能将单相apfc电路简单整合成一个三相apfc电路，将能充 分利用成熟的单相控制芯片，制作出满足要求的

3、三相apfc装置。1由单相apfc组合成三相apfc的几种方法单相pfc组合成三相pfc的技术优势是：(1)无需研究新的拓扑和控制方式，可 直接应用发展比较成熟的单相pfc拓扑，以及相应的单相pfc控制芯片和控制方法;(2)电 路由多个单相pfc同时供电，如果某一相出现故障，其余两相仍能继续向负载供电，电路 具有冗余特性;(3)由于单向模块的使用，因此需要更少的维护和维修，而且有利于产品的标 准化;(4)与三相pfc相比，不需要高压器件等。下面将对由单相pfc实现三相pfc的儿种方法分别进行介绍。1)由三个分别带隔离dc/dc变换的单相pfc并联组成的方法每个单相pfc后跟随一个隔离型dc/d

4、c变换器，dc/dc变换器输出端并联起 来，形成一个直流回路后向负载供电，如图i所示。此类电路即可采用三相三线制接法，也 可用三相四线制的接法，很灵活且很简单。而且此类电路都可设计成单级形式，从而减少功 率等级且动态响应比较快。但该类电路由三个完全独立的单相pfc及dc/dc变换器组成, 由于需3个外加隔离的dc/dc变换器，因此用的器件比较多，成本较高。a输入jac/dc隔离的u滤波pfcdc/dc输入ac/dc隔离的滤波pfcdc70c输入ac/dc隔离的 1尸c滤波pfcdc/dc4图1三个分别带隔离dc/dc变换的单相pfc并联电路框图(1)单相pfc电路由全桥电路构成图2电路的特点是

5、dc/dc的开关控制比较简单，相对于其它电路更适合于大功 率场合的应用。但是由于隔离变压器反射电压的影响，全桥电路相对于反激电路来说有更高 的电流失真。图2用三个单相全桥变换器组成的三相pfc示意图(2) 单相pfc电路由buck电路构成图5用三个单相buck变换器组成的三相pfc示意图图3所示buck型电路的结构比较简单，同全桥电路相似，图3用三个单相buck变换器组成的三相pfc示意图由于隔离变压器反射电压的影响，其相对于反激电路来说也有较大的电流失真，但其 谐波仍可以限定在比较低水平，达到iec-1000的耍求。另外，其可实现的功率等级的大 小不如全桥高，但比反激式电路要大。(3) 单相

6、pfc电路由反激电路构成图4所示反激式电路有比较接近正弦的相电流，而且功率因数也更接近于单位功 率因数。由于其本身的结构特点，所以不必以增加电压为代价即对达到隔离的作用。但相对 于前两种电路其功率不容易做大。图4用三个单相反豪式变换器组成的三相pfc示意(4) 单相pfc电路由sepic电路构成在boost变换屮，传统的隔离在此种情况下的应用并不理想，因为在电流连续情 况下，器件将产生高的电压应力，在电流断续情况下将产生较大的输入电流失真。图5所示的电路是用隔离sepic电路组成的三相pfc电路，sepic变换器的输 入端类似于boost电路，因此具有boost电路的优点，如有低的输入电流失真

7、和更小的emi滤波器。在输出端sepic电路像反激式变换器，从而不必以增加电压为代价达到隔离的作 用。5用三个单相sep1c变换器组成的三相pfc示意2）由三个单相pfc在输出端直接并联组成的方法图6是将3个单相pfc变换器在其输出端直接并联而成的，因此结构相对较简单。 由于该电路是三个单相。pfc变换器在输出端直接并联而成的，各相之间存在较严重的耦 合。下面给出一种其相应的电路，如图7所示，电路屮三个单相pfcz间存在相互影响， 即使加入隔离电感和隔离二极管后也不能完全消除这种影响，导致电路的效率和输入电流 thd指标有所下降，所以在大功率场合很少应用，但在中小功率场合有一定的使用价值。图6

8、 三个单相pfc直接并联组成的电路框图图7 由三个单相变换器纽成的三相带有zvt辅助电路pfc整流器变用器ac/dc川 pfcdc/dc图8 由两个单pfc组成的三相pfc电路框图图9是其一种实际的应用电路图，工作原理是，三相输入电压ua, ub, uc（相 位相差120。）。通过带有中心抽头的变压器变成两相电压uab和uck（相位相差90°）,uab 和uckc的矢量图如图10所示。co图9 一种由两个单相pfc电路组成的三相pfc电路拓扑图10 两相的矢量图通过这样的变换，就变成两个三相单开关pfc的并联。尽管|uab|uck|,但 釆用适当控制可以使两个电路平分输出电压，这一特

9、性能够抵消电容中的低频纹波，从而有 效地减少电容的温升，延长电容的寿命。因为每个电路独立工作，所以两个功率开关的开通 和关断互不影响。不足是不能在整个负载范围实现功率因数校正等。4）由矩阵式dc/dc变换器构成的方法新颖组合式三相apfc拓扑结构示意图如图11所示，该电路由三个单相pfc电 路组合而成，与前面所介绍的三相组合式pfc电路极其相似，不同点在于，该电路中三个 单相pfc的输出并不是直接将三个单相直流输出电压并联，而是通过高频矩阵式功率变换 器，使三个单相pfc直流输出耦合成一路直流输出。该电路的关键在于引入了矩阵变压器 技术，充分利用了矩阵变压器磁耦合原理。其等效电路图如图12所示。图1 i 新颖组合式三相apfc拓扑结构示意图12利用矩阵变换器实现的等效电路图三个单相pfc经逆变后的交变电压相位、频率、幅值相同，通过三相矩阵高频变 压器的耦合、变压及隔离，输出所需要的直流电压。三个单相pfc独立性比较强，输出之 间相互电气隔离，解决了三个单相pfc z间相互影响的图12利用矩阵变换器实现的等效 电路图这一技术难题。2结束语三相pfc整流电路遇到的一个很大的难题就是三相z间的耦合，上述各种方法已 分别对此难题进行了相应的解决。每相分别加隔离dc/dc的做法虽然可以解决此问题，但 其代价就是使电