摘要：功率因数校正(PFC)技术已成为电力电子研究的一个课题。目前，单相功率因数校正技术已是一项成熟的技术，三相功率因数校正技术还处在研究之中。在电路PFC控制中，一般有两种基本方法控制系统的功率。第一种是单级转化，它将输入电流控制、负载电压调整、以及可能需要的输入输出隔离合成为一个功率级;另一种方法是二级策略，即输入级控制输入电流，并提供一个初步变换的输出电压，将负载调整作为第二级。不同的功率级拓扑有其不同的功能，基于此，本文主要对三相功率因数校正电路拓扑结构进行分析探讨。
关键词：三相功率因数；校正电路；拓扑结构；研究
1前言
三相功率因数校正电路（PFC）与单相PFC相比，主要优点：不存在单相输入(有中线)电路具有的因中线中3次谐波电流过大而烧毁中线的危险；主电路由三相三线制供电(无中线)，无中线电流，无3次谐波及3的倍数次的零序谐波电流，故不存在这些谐波电流所产生的波形畸变和干扰；在市电周期内，从供电系统获取恒定功率，可减小输出滤波电容。
2基本的功率因数校正电路
实现三相功率因数校正的一个简单方法是将三个单相升压变换器的输入端连接在一起，每相对应一个DC/DC变换器。若对其进行简化，也可将三个输出端结合在一起，则只需一个DC/DC变换器。同时，为了减少相间的干扰，单相整流器应加上升压电感和续流二极管，输出电感被三相所公用，如图1所示。因此，平衡条件下的电容电压没有低频纹波，而且可直接利用快速电压控制，不会使输入电压畸变，同时单相电路中的软开关技术可直接使用到三相电路中，如图1中的ZVT。
图1直接应用于三相的单相PFC变换器
这种电路的优点是可直接应用单相功率因数校正技术。另外由于三个变换器独立地运行，因此这种结构的电路就会有一定的功率冗余。该拓扑结构的缺点是主功率单元需要更多的元件，而且相间干扰并不能完全避免。总体上讲此类电路的效率及电流质量较低，不适用于大功率场合[1]。典型电路在100kHz下输出功率为1.7kW，输入电压为90V，输出电压为380V时，效率为90%。
3电流连续模态下的三相升压整流器
对大功率的装置，特别是性能要求较高时，常采用电流连续模态(CCM)下的升压整流器。这是因为这种电路效率较高，且有较好的电流质量及较低的电磁干扰，基本的拓扑全桥结构如图2所示。电路采用双环控制，电流内环对输入电流进行校正，电压外环控制输出电压。
图2三相升压变换器
已采用几种零电压开关技术来减小导通损耗，同时采用换流电容来间接地减少关断损耗。若将软开关原理应用于直流环而不是用于交流侧，则电路将大大简化。图3为有源钳位谐振环变换器，其直流环在高频段谐振，桥式开关在零电压下导通和关断，这样使得开关损耗降低，但辅助电路的传导损耗却非常高，直流谐振环承受高电压、高的能量循环以及不高效的离散脉冲调制过程，它的可取之处是结合了PWM控制及软开关的优点[2]。
下面介绍几种将软开关应用于PWM变换器中的拓扑结构。一般应用一种直流单元开关把主电路桥与直流电压源隔离，并且有一个平行的谐振支路将桥路电压在开关导通时降为零，这种开关在一个大的占空比中传输大电流，使得传导损耗很大。功率因数校正器中并没有要求功率的双向流动，因此一个二极管就可作为直流单元开关，这样就可形成一个简单高效、稳定的零电压变换器。通过实验可验证该结构在50kHz时，输入电压为180V，输出电压为380V，效率为97%。这种软开关电路也可用在交流侧以减小传导损耗，并使双向功率流动更易实现。辅助谐振整流极(ACRP)变换器就是交流侧应用的软开关的例子，并广泛应用于大功率的设备中。
图3有源钳位谐振环变换器
其中，电路使用改进的空间矢量调节(SVM)器使三相开关闭合同步，并对谐振电感提供放电电压。主开关的软开关功能是通过谐振电感的过充电来实现的，因此，每相的节点电容可以完全放电，这就保证了主开关在零电压下导通。不过，这种过充电及对SVM的调整会导致更多的主开关关断及更高的辅助开关的电流峰值[3]。
它通过减少对谐振电感的过充电而改进了电路的工作特性，因而，主开关的关断损耗以及辅助开关的电流峰值会得到有效的控制。在整流器模式下，主开关的关断过程与优化的SVM相似，且所有的主开关在零电压下导通。文献建立了一个用于有能量回馈的永磁电机驱动变换器，无论工作在变换器模式下还是整流器模式下，当工作频率为100kHz，输出功率为500W，120V直流和100V交流电压时，两种装置的效率都高于97%。
4电流不连续状态下的三相升压整流器
升压变换器的有源开关工作在恒频下，输入电流可工作在不连续状态，这种工作状态对于带有移相变压器的三相PFC变换器有优越性，因为它可使输入电流很好地跟踪电压波形且不会含有3次、5次、7次谐波。同时，流经移相变压器及升压电感的电流具有很高的频率，因而使得铁心减小，功率密度增大[4]。
该升压变换器由三个升压电感、三个移相变压器以及两组三相整流二极管组成。三相变频输入滤波被放置于供电线路与升压电感之间。带有两组整流器的移相变压器产生两组相位差为30°的三相电流并形成12脉冲的输入电流，这样线电流的谐波成分大大减小。
5三相降压整流器
从总体上讲一个降压整流器同升压整流器相比有相同的开关损耗，但降压整流器有较高的传导损耗。降压整流器的软开关技术至今还没得到深入的发展，不过实现单级功率变换器的降压拓扑还是较容易的。它通过运用与零电压系统的相移全桥DC/DC变换器相同的技术，使所有的开关在没有任何附加元件的情况下实现了ZVT导通。每个开关可看作两个串联的开关二极管。这种变换器的效率及成本与连续电流模式下的两极升压DC/DC整流器相接近。在输出功率为2kW，输入有效电压为208V，输出电压为50V时，效率为92.2%，若采用DC/DC变换器下最新ZVZCS技术，效率会有所提高。
参考文献：
[1]戴文君,张兴,王付胜,等.一种新颖的三电平光伏逆变器调制策略研究[J].电力电子技术,2014,48(1):4-5.
2]Shen J, Schroder S, Rosner R, et al. A comprehensive study of neutral-point self-balancing effect in neutral-point-clamped three-level inverters [J].2011,26(11):3084-3095.
[3]Lee J S, Lee K B.New modulation techniques for a leakage current reduction and a neutral-point voltage balance in transformerless photovoltaic systems using a three-level inverter[J].2014,29(4):1720-1732.
[4]孙鹏菊，李正宇，张冀，等．一种基于倍压单元的双输入高增益直流变换器[J]．中国电机工程学报，2016，36(17)：4694—4701．
论文作者:阳序仁
论文发表刊物:《电力设备》2018年第29期
论文发表时间:2019/3/27
标签：变换器论文; 电压论文; 电流论文; 电路论文; 整流器论文; 功率因数论文; 谐振论文; 《电力设备》2018年第29期论文;