基于全桥结构的三相单级有源功率因数校正PFC技术研究

行功率因数校正的同时， 实现交流侧与直流侧 之间的电气隔离、直接获得较低直流输出电 压，具有广泛的应用领域和应用前景，对提高 电网质量和电能利用率将具有重要意义。
以及输出整流滤波等部分构成。 移相桥是该变 换器的主要部分（其中的四只开关管 S1-S4 可 由功率场效应晶体管或 IGBT 构成） ，采用适 当的控制策略可由它完成功率因数校正和进 行 AC-DC 功率变换。利用电路中的高频变压 器即可实现交流输入侧与直流输出侧的电气 隔离， 又可以对输出的直流电压进行适当的调 整， 以满足不同负载对电源输出电压等级的要 求。
1 引 言
由于 AC/DC 功率变换器使用非线性器件 带来的网侧功率因数恶化及谐波污染等问题 日趋严重，一些国家和国际组织相继制定、颁 发了相关标准 （如国际电工委员会的 IEC555-2 等） 对此进行限制。 有源功率因数校正技术 （简 称 PFC 技术）是抑制电流谐波、提高功率因 数最有效的方法，根据输入电压不同，分为单 相和三相两大类。 单相功率因数校正技术已比 较成熟， 三相功率因数校正技术由于电路拓扑 结构和控制都比较复杂，仍处于发展阶段[1,2]。 在三相功率因数校正技术中经常采用的 是三相单开关或三相六开关 Boost 型电路，前 者控制简单、成本低，后者功率器件多、控制 复杂。同时它们还存在以下问题：①交流侧和 直流侧之间没有电气隔离； ②由于他们的输出 电压高,实际使用时均需要再加一级 DCb
t0 t1 t2 t3
TS
决定的方式放电，等效电路如图 4（b）所示。
t
′ 是输出电压折算到高频变压器原边 其中， U O
′ 是输出滤波电容 C 和负 的等效电压、 C ′ 和 RL
载 RL 折算到高频变压器原边的等效电容和等 效负载。在这一阶段（t1～ t2） ，有如下关系
图 3 一个开关周期内三相电感电流波形
dia di ′ + L b = ubn uan − L dt − U O dt u − L dic − U ′ + L dib = u O bn cn dt dt uan + ubn + ucn = 0 i + i + i = 0 a b c
（3）
可见， 这一阶段各相电流与各自电压不成 正比，解方程组（3）可得 t1～ t2 阶段的电流 变化规律为
L Ua Uc Ub L L
ia ic ib C'
' RL
+
dic di ′ + L b = ubn − UO ucn − L dt dt ib + ic = 0
化规律为
（5）
' Uo
解方程组（5）可得 t2～ t3 阶段的电流变
（c） t2 ~ t3 阶段等效电路
′ − ucn ubn + U O (t − t2 ) + i′ ib = −ic = （6） 2L ia = 0
式（6）中 i ′ 是 B 相电感电流在 t = t 2 时的 值，这里不再给出。 到 t3 时刻， ib 、 ic 也同时下降到 0，三相 整流桥中的所有二极管均截止， 负载中的电流 由输出滤波电容的放电电流维持，这一阶段 （t3～Ts）的等效电路如图 4（d）所示。
L Ua Uc Ub L L
ia ic ib C'
（4）
到 t2 时刻， 原来 t1 时刻三相电感电流中绝 对值最小的那一相先下降为零，即 ib = 0 ，这 一阶段（t2～ t3）的等效电路如图 4（c）所示。 仍然是开关 S1 和 S4 同时导通、S2 和 S3 截止，
解方程组（1）可得 t1 时刻的电流，即各
或开关 S2 和 S3 同时导通、S1 和 S4 截止。在这 一阶段，有如下关系
BEN Hong-qi , LIU Yan , MENG Tao
（哈尔滨工业大学
电气工程系
黑龙江 哈尔滨 150001）
(Harbin Institute Of Technology, Harbin 15000, Heilongjiang, China)
摘要：本文提出一种电路结构简单、基于全桥结构的三相单级有源功率因数校正技术，可在实现功率因数校正 的同时，实现 AC/DC 功率变换，解决了三相两级式功率因数校正电路中电路结构复杂、元器件多、效率较低、成本 较高的问题。对主电路拓扑结构、工作原理、控制策略等问题进行了分析、介绍，并给出一种适合该电路要求的控 制策略。通过计算机仿真验证了这种三相单级有源功率因数校正技术的可行性。 Abstract: This paper presents a three-phase single-stage active power factor correction（PFC） technology which is based on full-bridge structure and uses a simple circuit structure . This technology achieves AC/DC power conversion, resolves the problems in three-phase two-stage PFC circuit such as complicated circuit structure, many components, low efficiency and high cost. Some analysis and introduction about the main circuit topology, working principle and control strategy has been given in this paper. A kind of control strategy which is suitable for the requirements of the given circuit has been presented. The feasibility of this three-phase single-stage active power factor correction technology was validated by computer simulation. 关键词：全桥；三相；单级；功率因数校正 Key words: full-bridge; three-phase; single-stage; power factor correction (PFC)
' RL
+
Uo '
（d）t3～Ts 阶段等效电路 图 4 工作原理示意图
L U a U c U b L L
ia ic ib C'
+
由以上分析可知, ia 、ib 、ic 电流峰值是与
' ' R U L o
各自电压成正比的， 只要电路周期性地重复上 述过程， 即可使升压电感中的电流峰值按正弦 规律变化，并保持和交流输入电压同相位。只 要在电网和变换器之间加一个很小的无源滤 波器即可获得高质量的网侧输入电流波形， 进 而达到功率因数校正和进行 AC-DC 功率变换 的目的。 在图 3 中， 时间间隔[t0～t1]和[t3～Ts]是可 控的, 而[t1～t2]和[t2～t3]是不可控的，该电路 运行于电流断续模式下的条件是开关周 期
当控制电路按其控制规律输出高电平使 开关 S1 和 S2 同时导通、 开关 S3 和 S4 截止， 或 开关 S3 和 S4 同时导通、 开关 S1 和 S2 截止时 （设 此时为 t0=0） ，图 1 所示电路的三相交流输入 电压通过输入电感 L、导通的两只开关管和导 通的整流二极管短路， 每相输入电流以与各自 相电压成正比的方式上升，升压电感储能增 加，这一阶段的等效电路如图 4（a）所示， 并且有如下关系
DC/DC 全桥变换器中使用的移相控制策略。 与 DC/DC 全桥变换器中一样，四个开关管的 导通比都固定在 50%，但开关 S1、S3 对开关 S2、S4 的导通相位是可控的，其驱动信号如图 2 所示。另一不同之处是在移相过程中允许上 下臂直通。 这种方式只需两个隔离驱动变压器 即可，有利于简化控制电路。
d ia d ic v a n − L d t + L d t = v cn v − L d i a + L d ib = v bn an dt dt v a n + v b n + v cn = 0 i + i + i = 0 b c a
相电流峰值为
（1）
′ − 3uan UO t1 (t − t1 ) ia = L uan − 3L ′ + 3ubn 2U O t1 (t − t1 ) ib = ubn + L 3L ′ − 3ucn UO t1 (t − t1 ) ic = L ucn − 3L
2 主电路拓扑结构
2.1 拓扑结构介绍
文中提出的基于全桥结构的三相单级有 源功率因数校正技术的主电路如图 1 所示， 电 路主要由输入整流部分、移相桥、高频变压器
L L L
S1
S3 T
D1
C S2 S4 D2
RL
图 1 电路结构示意图
这种电路虽然借鉴了移相式全桥 DC-DC 变换器的特点，但并不存在桥臂直通等问题， 而且具有电路结构简单、控制方便、效率高等 显著优点。该电路与典型的三相单开关 Boost 型电路相比， 新颖之处在于使用一个全桥变换 结构，利用桥壁直通实现了三相功率因数校 正； 高频变压器的使用则实现了电源交流输入 侧与直流输出侧的电气隔离和输出直流电压 的调整。
换器进行输出电压调节， 但这又带来了元器件 多、成本高、效率低以及可靠性差等问题。因 此， 研究三相单级功率因数校正及功率变换技 术成为电力电子技术领域中的一项重要课题 和发展趋势[3]。文献[4、5]分别介绍了基于反 激式电路的三相单级功率因数校正电路， 其拓 扑结构决定了它们不适合在中大功率场合应 用； 文献[6]利用移相式全桥变换器完成了 PFC 和输出电压调节双重功能，但需要中线，失去 了典型三相功率因数校正电路因不需要中线 而具有的优势；文献[7、8]介绍的基于双向开 关的三相单级功率因数校正电路， 由于功率器 件比传统的三相六开关 Boost 型电路还多，导 致驱动及控制电路都很复杂。 为此，针对 PFC 电路的特点，提出一种 电路结构简单、 基于全桥结构的新型三相单级 功率因数校正技术进行研究。 这种技术可在进