基于并聯(lián)技術(shù)的三相功率因數(shù)校正方法研究

引言

電力電子裝置的廣泛應(yīng)用，給公用電網(wǎng)造成嚴(yán)重污染，諧波和無功問題日益受到重視。為了減輕電力污染的危害程度，許多國家紛紛制定了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，如國際電工委員會的諧波標(biāo)準(zhǔn)IEEE555—2和IEC—1000—3—2等。功率因數(shù)校正(Power Factor CorrecTIon，簡稱PFC)技術(shù)，尤其是有源功率因數(shù)校正(Active Power FactorCorrection，簡稱APFC)技術(shù)可以有效的抑制諧波，已成為研究的熱點。

單相APFC技術(shù)的研究比較成熟，已有不少商業(yè)化的專用控制芯片，如UC3854，IRll 50，LTl508，ML4819。與單相功率因數(shù)校正整流裝置相比，三相PFC整流裝置具有許多優(yōu)點：(1)輸入功率高，功率額定值可達(dá)幾千瓦以上；(2)單相PFC整流裝置輸入功率是一個兩倍于工頻變化的量，但在三相平衡裝置中，三相輸入功率脈動部分的總和為零，輸入功率是一恒定值，三相PFC整流裝置輸出功率的脈動周期僅為單相全波整流的三分之一，脈動系數(shù)低，因此可以使用容量較小的輸出電容，從而可以實現(xiàn)更快的輸出電壓動態(tài)響應(yīng)。

三相APFC技術(shù)正成為眾多學(xué)者研究的重點，但其實現(xiàn)有一定的困難，而且還未見成熟的專用控制芯片。若能將單相APFC電路簡單整合成一個三相APFC電路，將能充分利用成熟的單相控制芯片，制作出滿足要求的三相APFC裝置。

1 由單相APFC組合成三相APFC的幾種方法

單相PFC組合成三相PFC的技術(shù)優(yōu)勢是：(1)無需研究新的拓?fù)浜涂刂品绞?，可直接?yīng)用發(fā)展比較成熟的單相PFC拓?fù)?，以及相?yīng)的單相PFC控制芯片和控制方法；(2)電路由多個單相PFC同時供電，如果某一相出現(xiàn)故障，其余兩相仍能繼續(xù)向負(fù)載供電，電路具有冗余特性；(3)由于單向模塊的使用，因此需要更少的維護和維修，而且有利于產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化；(4)與三相PFC相比，不需要高壓器件等。

下面將對由單相PFC實現(xiàn)三相PFC的幾種方法分別進(jìn)行介紹。

1)由三個分別帶隔離DC／DC變換的單相PFC并聯(lián)組成的方法

每個單相PFC后跟隨一個隔離型DC／DC變換器，DC／DC變換器輸出端并聯(lián)起來，形成一個直流回路后向負(fù)載供電，如圖l所示。此類電路即可采用三相三線制接法，也可用三相四線制的接法，很靈活且很簡單。而且此類電路都可設(shè)計成單級形式，從而減少功率等級且動態(tài)響應(yīng)比較快。但該類電路由三個完全獨立的單相PFC及DC／DC變換器組成，由于需3個外加隔離的DC／DC變換器，因此用的器件比較多，成本較高。

(1)單相PFC電路由全橋電路構(gòu)成

圖2電路的特點是DC／DC的開關(guān)控制比較簡單，相對于其它電路更適合于大功率場合的應(yīng)用。但是由于隔離變壓器反射電壓的影響，全橋電路相對于反激電路來說有更高的電流失真。

(2)單相PFC電路由Buck電路構(gòu)成圖5 用三個單相Buck變換器組成的三相PFC示意圖圖3所示Buck型電路的結(jié)構(gòu)比較簡單，同全橋電路相似，

由于隔離變壓器反射電壓的影響，其相對于反激電路來說也有較大的電流失真，但其諧波仍可以限定在比較低水平，達(dá)到IEC—1000的要求。另外，其可實現(xiàn)的功率等級的大小不如全橋高，但比反激式電路要大。

(3)單相PFC電路由反激電路構(gòu)成

圖4所示反激式電路有比較接近正弦的相電流，而且功率因數(shù)也更接近于單位功率因數(shù)。由于其本身的結(jié)構(gòu)特點，所以不必以增加電壓為代價即可達(dá)到隔離的作用。但相對于前兩種電路其功率不容易做大。

(4)單相PFC電路由SEPIC電路構(gòu)成

在Boost變換中，傳統(tǒng)的隔離在此種情況下的應(yīng)用并不理想，因為在電流連續(xù)情況下，器件將產(chǎn)生高的電壓應(yīng)力，在電流斷續(xù)情況下將產(chǎn)生較大的輸入電流失真。

圖5所示的電路是用隔離SEPIC電路組成的三相PFC電路，SEPIC變換器的輸入端類似于Boost電路，因此具有Boost電路的優(yōu)點，如有低的輸入電流失真和更小的EMI濾波器。在輸出端SEPIC電路像反激式變換器，從而不必以增加電壓為代價達(dá)到隔離的作用。

2)由三個單相PFC在輸出端直接并聯(lián)組成的方法

圖6是將3個單相PFC變換器在其輸出端直接并聯(lián)而成的，因此結(jié)構(gòu)相對較簡單。由于該電路是三個單相。PFC變換器在輸出端直接并聯(lián)而成的，各相之間存在較嚴(yán)重的耦合。下面給出一種其相應(yīng)的電路，如圖7所示，電路中三個單相PFC之間存在相互影響，即使加入隔離電感和隔離二極管后也不能完全消除這種影響，導(dǎo)致電路的效率和輸入電流THD指標(biāo)有所下降，所以在大功率場合很少應(yīng)用，但在中小功率場合有一定的使用價值。

圖9是其一種實際的應(yīng)用電路圖，工作原理是，三相輸入電壓Ua，Ub，Uc(相位相差120°)。通過帶有中心抽頭的變壓器變成兩相電壓Uab和Uck(相位相差90°)，Uab和Uck。的矢量圖如圖10所示。

通過這樣的變換，就變成兩個三相單開關(guān)PFC的并聯(lián)。盡管|Uab|≠|Uck|，但采用適當(dāng)控制可以使兩個電路平分輸出電壓，這一特性能夠抵消電容中的低頻紋波，從而有效地減少電容的溫升，延長電容的壽命。因為每個電路獨立工作，所以兩個功率開關(guān)的開通和關(guān)斷互不影響。不足是不能在整個負(fù)載范圍實現(xiàn)功率因數(shù)校正等。

4)由矩陣式DC／DC變換器構(gòu)成的方法

新穎組合式三相APFC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖如圖11所示，該電路由三個單相PFC電路組合而成，與前面所介紹的三相組合式PFC電路極其相似，不同點在于，該電路中三個單相PFC的輸出并不是直接將三個單相直流輸出電壓并聯(lián)，而是通過高頻矩陣式功率變換器，使三個單相PFC直流輸出耦合成一路直流輸出。該電路的關(guān)鍵在于引入了矩陣變壓器技術(shù)，充分利用了矩陣變壓器磁耦合原理。其等效電路圖如圖12所示。

三個單相PFC經(jīng)逆變后的交變電壓相位、頻率、幅值相同，通過三相矩陣高頻變壓器的耦合、變壓及隔離，輸出所需要的直流電壓。三個單相PFC獨立性比較強，輸出之間相互電氣隔離，解決了三個單相PFC之間相互影響的圖12利用矩陣變換器實現(xiàn)的等效電路圖這一技術(shù)難題。

2 結(jié)束語

三相PFC整流電路遇到的一個很大的難題就是三相之間的耦合，上述各種方法已分別對此難題進(jìn)行了相應(yīng)的解決。每相分別加隔離DC／DC的做法雖然可以解決此問題，但其代價就是使電路所用的器件增多。隔離電感和隔離電容的加入可以對耦合加以抑制，而且在中小功率場合也有一定的實用價值。通過矩陣變換器實現(xiàn)的電路解決了這一技術(shù)難題，三個單相PFC獨立性比較強，輸出之間相互電氣隔離。當(dāng)然代價也是使用器件相對較多。但是考慮到由單相PFC實現(xiàn)三相PFC的種種優(yōu)勢，上述各種方法還是有一定應(yīng)用前景。