三相高功率因数整流器的研究现状及展望

1、三相高功率因数整流器的研究现状及展望电气传动2005年第35卷第2期三相高功率因数整流器的研究现状及展望武志贤蔡丽娟汤酉元华南理工大学摘要:介绍了三相高功率因数整流器的几种主要拓扑、 三电平PWM (V IENNA 整流器、PWM (V IEN 2PFC 的发展趋势。NA 整流器, 关键词:V and Tendency of Three -pha se H igh Power Factor Rectif ierW u Zh ix ian Cai L ijuan T ang YouyuanAbstract :T h is paper review som e topo logies used r

2、ecently , m ainly including th ree 2phase single 2s w itch rec 2tifier , th ree 2phase s w itch level PWM (V IENNA rectifier and th ree 2phase full 2bridge rectifier . T he paper pays mo re attenti on to V IENNA rectifier . It also gives characteristics , advantages and disadvantages of every topo l

3、o 2gy . By comparing V IENNA rectifier w ith th ree 2phase full 2bridge rectifier the paper po ints out the developm ent tendency of th ree 2phase h igh pow er 2facto r rectifier .Keywords :th ree 2phase pow er 2facto r co rrecti on single s w itch V IENNA rectifier th ree 2phase full 2bridge rectif

4、ier soft 2s w itch ing techniques1引言13连续导电模式DC M (D iscon tinuou s ConductM ode ; 从基本拓扑划分, 可以分为Boo st 型、B uck 型、Cuk 型、B uck 2Boo st 型等; 按输入电压与随着电力电子装置的广泛应用, 给公用电网造成严重污染, 谐波和无功问题日益受到重视。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IEEE 5552和IEC 100032等。传统的整流装置大都采用二极管整流或相控整流, 这些电路存在谐波污染大、交流侧波形畸变严重、功率因数低

5、等缺点, 难以满足IEEE 5552或IEC 100032标准, 也不能满足对整流装置的高功率密度、高效、高可靠性和低成本等的要求。三相整流器, 由于其功率大, 它的输入端对电网的影响也大, 因此在大功率电源装置上实施PFC (Pow er Facto r Co rrecti on 的意义更为重大。三相PFC 已成为国际电力电子学界研究的热门课题, 目前, 三相PFC 还处于实验室研究阶段, 其实用化问题逐渐成为研究重点。从工作模式划分, 三相PFC 拓扑可分为连续导电模式CC M (Con tinuou s Conduct M ode 和不输出电压的比划分, 可以分为升压型和降压型, 前面提

6、到的Boo st 型为升压型, B uck 型为降压型, Cuk 型和B uck 2Boo st 型与电路参数的选取有关, 可以升压, 也可以降压1, 4。 本文以功率开关管的数量进行划分, 可以分为三相单开关PFC 、三相双开关PFC 、三相三开关PFC 、三相六开关PFC 等。因为Bon st 型拓扑比其它类型的拓扑用的多, 故本文主要以Boo st 型拓扑为例进行介绍。2按开关个数划分的三相PFC 的主要拓扑2. 1三相单开关DC M 整流器13三相单开关DC M Boo st 型整流器的电路如图1所示。三相单开关Boo st 型整流器因其结构简单, 成本低以及比较好的性能而倍受欢迎。这

7、种3电气传动2005年第35卷第2期三相高功率因数整流器的研究现状及展望拓扑通常采用恒定占空比控制, 保持功率开关管的占空比恒定不变, 每一相的电流可以很好地跟随相电压, 但固定占空比控制会产生较大的5次谐波, 限制了PFC 功能。采用6次谐波注入法可以抑制5次谐波 。并联结构并没有抑制系统的低次谐波。 为了满足谐波标准的要求, 通常采用增加输出电压或采用谐波注入的方法改善输入电流波形, 而增加输出电压同时会增加开关管的电压应力。软开关技术的应用可以减少开关管的损耗, 提高效率3。图1三相单开关Boo st 整流器拓扑(虚线内为ZCT 率因数, , , 尤其。提高输出电压的等级使输出电压值大于

8、输入线电压的峰2峰值, 可以减小电感的放电时间, 改善PFC 性能, 但这又会增加功率开关管的开关应力。这种拓扑存在的主要问题是:首先, 必须工作在DC M 方式, 这必将引起较大的E M I 噪声, 需要较大的E M I 滤波器; 其次, 只有一个功率开关管, 能量不能双向流动, 不能实现真正意义上的功率因数校正; 再次, 功率开关管是在大电流的条件下关断, 所以关断损耗比较大。为了减少关断损耗, 可以采用一些软开关技术, ZCT 辅助电路如图1中虚线区所示。这种拓扑通常用于小功率场合。文献5提出一种三相单级PWM 整流器, 与前面提到的三相单开关拓扑不同的是, 采用高频变压器隔离, 既可以

9、用于升压也可以用于降压。在输入电流断续的情况下, 可以获得比较高的功率因数和功率密度, 输出电压范围也很宽, 非常适用 于中等功率等级(k W 级别 , 可用于通讯供电。开关应力大是这种电路的主要问题, 解决的方法是采用特殊的电路结构, 如用两个同时导通或关断的开关管串联代替原来的一个开关管, 每个开关管的电压应力就会减小。当然, 随之而来的串联均压问题必须妥善的解决。2. 2三相双开关PFC 电路2三相双开关交错并联的电路(虚线区是ZCT 结构图3是另一种三相双开关的PFC 拓扑。工作原理是, 三相输入电压V a 、V b 、V c ( 相位相差120°通过带有中心抽头的变压器变成

10、两相电压V ab 和, V ab 和V ck 的矢量图如图4所V ck (相位相差90°示。通过这样的变换, 就变成两个三相单开关PFC 的并联, 与图2所示的交错并联拓扑的工作过程是一样的。尽管 V ab V ck , 但采用适当控制可以使两个电路平分输出电压, 这一特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2。三相单开关PFC 整流器的一些固有的不足在三相双开关的结构中也存在, 如不能在整个负载范围实现功率因数校正等。图3新颖的三相双开关整流器拓扑图4两相的矢量图因为每个电路独立工作, 所以两个功率开关管的开通和关断互不影响。当两个功率开关管同时开

11、通或关断时, 一个变换器的电流可能会流入另一个变换器。为了减少两个PFC 电路的相互影响, 对拓扑进行了改进, 如图3所示, 用两个分开的电感L 1f 、L 1b 代替原来的一个电感L 1(当用一个图2所示是交错并联三相PFC 拓扑。交错并联Boo st 整流器是三相双开关PFC 电路的一种, 工作在DC M 方式。这种结构由于采用了双开关交错并联电路, 减少了输入电流纹波, 提高了电路的效率, 同时减少了输入E M I 滤波器的体积, 但4 电感L 1结构时, L 1在L 1f 所在的位置 , 同样L 2f 、L 2b 代替L 2f 所在位置的电感L 2; 续流二极管由D 1增加为D 1f

12、和D 1b (D 1在D 1f 所在的位置 , 续流二极管D 2增加为D 2f 和D 2b (D 2在D 2f 所在的位置 。其原理如下1, 2。假设某一时刻(e 1>0, e 2<0 开关S 1和S 2同时导通, 如图5a 所示。由于中线的存在, B 点的电势为负, D 4不可能导通, 因此上面变换器的电流流入下面的变换器, 两变换器的流入电流和流出电流不相等。为了解决这一问题, 增加了二极管D 1b 和D 2b 。同样在e 1>0、e 2<0的情况下, 当S 1和S 2同时关断时, 如图5b 所示, B 点电势为负, 一般的三相PFC 拓扑都存在一个严重的问题, 即

13、开关管需要承受直流母线电压的全压, 三相整流母线电压接近单管的两倍, 故管子选择困难。三相三开关三电平PWM (V IENNA 整流器的开关管电压应力只是输出电压的一半, 解决了开关应力大的问题, 拓扑如图7所示。这种拓扑既可以工作在DC M 方式也可以工作在CC M 方式, 其特征是:三线输入, 没有中线, , 理论上讲输入电流为正弦波 , 管D 6、D 2a 、D 2b 、D 7导通, D 4, 上D 4和D 1b 导通, 1b 和L 2b 。图7三相三开关三电平PWM (V IENNA 整流器V IENNA 整流器的优点为:开关管电压应力只是输出电压的一半, 用于中等功率场合时, 快速恢

14、复的功率开关管如M O SFET 等就可以使用。其拓扑简单, 只有3个开关及3个驱动电路, 通过简单的控制可以使输出中点电压稳定, 一相驱动图5两级之间的相互影响电路失效不会导致输出电路的短路; 满足高功率密度, 高效, 高可靠性和低成本的要求; 三电平特性使输入电流的纹波、传导干扰、共模干扰小。不足之处是V IENNA 整流器的能量只能单向流动710。这种拓扑常用的控制方法有滞环控制、空间矢量控制、单周控制等。在这几种控制方法中单周控制是一种概念清晰、直观、简单的控制方法, 它不需要检测输入电压和乘法器, 只要一个带复位端的积分器, 两个比较器, 两个触发器和一些简单的逻辑电路就可以实现三相

15、PFC 的恒频控制。文献11中提出一种应用单周控制策略, 把V IEN 2NA 拓扑等效成两个Boo st 子电路串联的方法。2. 4三相六开关PFC 电路2. 3三相三开关PFC 电路最基本的三相三开关PFC 拓扑是由3个单相PFC 电路组成的, 每一相独立工作, 工作在DC M 方式, 成熟的单相PFC 技术可以用于这里。为了减少三相间相互影响同样可以用上面提到的改进方法, 如图6所示6。可以用于大功率的场合。它的优缺点与三相单开关的拓扑相似, 这里不再赘述 。三相单开关, 3个单相PFC 的并联结构都要求电路工作在DC M 方式。为了满足大功率应用场合的要求, 特别是在高性能的要求时,

16、通常需要图6由3个单相变换器组成的三相带有Z V T辅助电路的PFC 整流器Boo st 整流器工作在CC M 方式, 因为在CC M 方式下, 系统具有高效率、电流特性好和低E M I 辐射等优点。5 三相六开关PFC 拓扑如图8所示, 能实现能量的双向流动, 它是把在PWM 逆变电路中使用的PWM 技术移植到整流电路中形成的。这种变换器采用双环控制, 外环是电压调制环, 内环是电流环, 电流和电压特性都很好, 但存在电路结构复杂(需要6个开关管 、成本高, 电路的控制比较复杂等问题。由于拓扑工作在CC M 方式, 二极管存在反向恢复问题, 所以在这种拓扑中开关损耗主要是开关管的开通损耗,

17、解决的方法是采用软开关技术1, 12, 文献1中给出一些软开关拓扑 。PWM 整流器的仿真结果进行了比较, 两者相比V IENNA 整流器有如下优点:V IENNA 整流器的结构比三相全桥PWM 整流器简单, 成本比三相全桥PWM 整流器低; 如果两者能量都是单相流动, V IENNA 整流器比三相全桥PWM 整流器的效率高, 交流侧的滤波器尺寸比三相全桥PWM 整流器的小, 性能比三相全桥PWM 整流器好; 在纹波一定的情况下, V 整流器输入电感的值比三相全桥。V I 2。比较结, 整流器, 也是很有发展前景的随着电力电子技术的发展, 要求变换器高频高效运行, 而且具有高功率因数。各种新型

18、开关器图三相全桥Boo st 整流器3控制思路三相高功率因数整流器的控制思路是在保证直流输出电压恒定的情况下, 通过控制开关管的通断, 使输入电流尽可能为与输入电压同相位的正弦波, 从而达到提高功率因数和消除谐波的目的。因此, 三相整流器的控制分为间接电流控制和直接电流控制。间接电流控制是通过调节电路的输入电感, 来间接控制输入电流。间接电流控制动态响应慢, 无限流功能等缺点影响了它的广泛应用。直接电流控制是直接控制输入电流, 使之成为与输入电压同相位的正弦波。直接电流控制主要有滞环电流控制、预测电流控制、模糊控制、滑模变结构控制、直接电流解耦控制、空间矢量控制、电流无差拍控制等。文献713提

19、出一种通用的三相PFC 控制器单周控制器, 对于能够解耦成并联或串联的双Boo st 子电路的多数源于Boo st 型拓扑的整流器如V IENNA 整流器和三相六开关拓扑都适用。单周控制的原理是把一个工频周期分成6个区间(并联型按三相电压过零点划分, 串联型按三相电压的交点划分 , 在每个区间只有两个功率开关管工作, 因而减少了开关管的开关损耗。所有功率开关管低电流开通, 减少了开关管的电流额定值。件的出现使高频不再成为问题, 但高频运行条件下开关管的损耗增加。因此, 如何减小开关管的损耗成为电路设计的重点, 各种软开关技术的应用是解决这一问题的一种方法, 三相PFC 中的软开关技术也是今后研

20、究的重点。参考文献1H engchun M ao , L ee C Y , Bo royevich Silva H iti . R eview ofH igh 2perfo rm ance T h ree 2phase Pow er 2facto r Co rrecti on C ir 2446cuits . IEEE T ransacti ons on IE , 1997, 44(4 :4372Jaehong H ahn , P rasad N Enjeti , J ra J P itel . A N ew T h ree 2phase Pow er Facto r Co rrecti on

21、 (PFC Schem e U sing Two819Single 2phase PFC M odules . IEEE , 2001:8133Peter M Barbo sa, F red C L ee . D esign A spects of ParalleledT h ree 2phase DCM Boo st R ectifier . Center fo r Pow er E lec 2336tronics System 2CPES , IEEE , 1999:3314徐德鸿1三相高功率因数整流器的发展与现状1江苏机械制造与自动化, 2000, 4:6105M alesani L ,

22、 Ro ssetto L , Sp iazzi G et al .Single 2s w itchT h ree 2phase A C DC Converter w ith H igh Pow er Facto r and285W ide R egulati on Capability . IEEE , 1992:2796Sp iazzi G , L ee F C .I mp lem enti on of Single Phase Boo stPow er Co rrecti on C ircuits in the T h ree Phase A pp licati ons .371IEEE

23、, 1997:3657Chongm ing Q iao , Keyue M a Sm edley . T h ree Phase U nityPow er Facto r Star Connected Sw itch (V IENNA R ectifier . IEEE , w ith U nified Constant F requency Integrati on Contro l 2003:9529578Johann W Ko lar , F ranz Stogerer , Johanna M inibock et al . A N ew Concep t fo r R econstru

24、cti on of the Input Phase Currents of a T h ree Phase Sw itch L evel PWM (V IENNA R ectifier Based on N eutral Po int Current M easurem ent . IEEE , 2000:1391464结束语文献14对V IENNA 整流器和三相全桥的6三相高功率因数整流器的研究现状及展望9Johann W Ko lar , F ranz C Zach . A N ovel T h ree Phase U tilityInterface M ini m izing L ine

25、 Current H armonics If H igh Pow er T elecomm unicati ons R ectifier M odules . 37410Johann W Ko lar , Uw e D rofenik . A N ew Sw itch ing L o ss R e 2duced D iscontinuous PWM Schem e fo r a U nidirecti onal T h ree Phase Sw itch L evel Boo st T ype PWM (V IENNA R ectifier . IEEE, 1999:292211Chongm

26、ing Q iao , Keyue M Sem dley . A General T h reePhase PFC Contro ller Part . fo r R ectifiers w ith a SeriesIEEE , 1994:367电气传动2005年第35卷第2期phase A C DC Converter U sing U niversal Input V o ltage T ype PFC C ircuit and Phase 2sh ift Contro lled DC 2DC Con 22124verter . IEEE , 2002:211713Chongm ing Q

27、 iao , Keyue M Sem dley . A General T h ree 2phase PFC Contro ller Part . fo r R ectifiers w ith a Parallel2511Connected D ual Boo st Topo logy . IEEE, 1999:205414T ero V iitanen, H eikk i T uusa . A State Pow er L o ss Consid 2erati on of the 50k W V IENNA I and PWM Full 2bridge920T h ree 2phase R

28、ectifier . IEEE , 2002:915:2003211217:20042092112519Connected D ual Boo st Topo logy . IEEE , 1999:251212Kazuak i M ino , Seik i Igarash i , Kurok i Kazuo . A T h ree 21992, 已历时1242、新颖, 可谓是荟萃了电, 受到了广大读者的青睐和欢迎, 至今已发行50余万册, 而且在许多大城市出现了售缺现象。许多电气工程技术人员反映, 读了这些书以后, 知识得到更新、充实, 工作有底。特别是做工程项目的人员, 找到一本合适的丛书后

29、, 就可以帮助设计出一个好的方案, 受益匪浅。在专业学术刊物上, 我们可以读到新理论、新思路和新方法的论文, 受到启迪, 但是它不系统, 至于如何应用, 受篇幅限制, 介绍得更少。这套丛书可以帮助读者解决困惑。已出版的各种教材, 系统性强, 理论分析深透、严谨、精辟, 但是对于工程技术人员有时却不免失之于深奥, 不易被理解, 而且在工程应用上, 讲的更少。这套丛书深入浅出、语言通俗、便于自学, 又专门介绍如何运用理论解决实际问题的过程, 非常合宜。丛书自2002年改版以来, 面貌又有了新的变化。1. 随着技术发展, 推出了许多新选题, 如现场总线技术、信息社会中的自动化新技术、交流电机数字控制

30、系统、可编程序控制器技术、开关电源技术、PWM 整流器等, 跟上了时代步伐。2. 根据技术的发展, 对许多已出版的丛书, 进行修订再版, 与时俱进。新修订的如新型P I , D 控制及其应用语言与自动控制系统, 大功率交交变频调速M A TLAB及矢量控制技术, SPWM 变频调速应用技术, 电气传动的脉宽调制控制技术, 直流无刷电动机原理及应用等, 都有了很大变化, 增添了新内容, 而且读起来更加流畅。3. 作者队伍扩大, 中青结合成了主力。现在的作者大都是教授、博导带领一批硕士和博士生共同编著的。特别难能可贵的是作者都融合了自己的工程实践和科研成果, 使丛书内容更加充实、新颖, 增加了可读

31、性。4. 改版后, 封面更清新, 更富于时代感。下面选择几本新出版的丛书介绍给读者。随着信息技术的迅速发展, 网络技术、通信技术、现场总线技术等都已渗透融入到自动化系统, 给电气自动化领域带来一次深刻的变革, 使系统结构简洁, 面貌一新。欲了解信息技术究竟给电气自动化系统带来哪些影响, 可以阅读2004年出版的信息社会中的自动化新技术。如果读者想详细了解现场总线技术给传统的电气自动化系统带来哪些影响, 有哪些好处, 有哪些流行的现场总线, 如何具体应用, 可以阅读现场总线技术及其应用。目前大多数的控制系统, 仍然采用P I D 控制策略, 因为它算法简单、鲁棒性好、可靠性高, 但是在非线性系统、时变不确定性系统等复杂系统中达不到理想的控制效果。随着控制技术发展, 出现了许多新型P I D 控制策略, 如自适应智能P I 模糊P I 神经网络P I P I D 控制、D 控制、D 控制、D 控制、预测P I D 控制。欲了解这些控制方法, 可以阅读第2版新型P I 一书。特别在新版中作者增加了D 控制及其应用P I D 控制器的设计方法两章, 随后列举了8个工程应用实例, 对读者很有帮助。M A TLAB 软件的诞生, 为控制系统的设计与仿真提