功率因数校正技术的综述

三相功率因子校正（PFC）技术的综述(1)

杨成林，陈敏，徐德鸿

(浙江大学电力电子研究所，浙江杭州310027）

摘要：综述了三相功率因子校正电路发展现状，并对典型拓扑进行分析比较。

关键词：三相整流器；谐波；功率因子校正

1 引言

近20年来电力电子技术得到了飞速的发展，已广泛应用到电力、冶金、化工、煤炭、通讯、家电等领域。电力电子装置多数通过整流器与电力网接口，经典的整流器是由二极管或晶闸管组成的一个非线性电路，在电网中产生大量电流谐波和无功污染了电网，成为电力公害。电力电子装置已成为电网最主要的谐波源之一。我国国家技术监督局在1993年颁布了《电能质量公用电网谐波》标准（GB/T14549-93），国际电工委员会也于1988年对谐波标准IEC555 2进行了修正，另外还制定了IEC61000-3-2标准，其A类标准要求见表1。传统整流器因谐波远远超标而面临前所未有的挑战。

表1 IEC61000-3-2A类标准

注：表中n为谐波次数。

抑制电力电子装置产生谐波的方法主要有两种：一是被动方法，即采用无源滤波或有源滤波电路来旁路或滤除谐波；另一种是主动式的方法，即设计新一代高性能整流器，它具有输入电流为正弦波、谐波含量低、功率因子高等特点，即具有功率因子校正功能。近年来功率因子校正(PFC)电路得到了很大的发展，成为电力电子学研究的重要方向之一。

单相功率因子校正技术目前在电路拓扑和控制方面已日趋成熟，而三相整流器的功率大，对电网的污染更大，因此，三相功率因子校正技术近年来成为研究热点。

2 三相六开关PFC电路

六开关三相PFC是由6只功率开关器件组成的三相PWM整流电路，电路如图1所示。每个桥臂由上下2只开关管及与其并联的二极管组成，每相电流可通过桥臂上的这2只开关管进行控制。如A相电压为正时，S4导通使L a上电流增大，电感L a充电；S4关断时，电流i a通过与S1并联的二极管流向输出端，电流减小。同样A相电压为负时，可通过S1及与S4并联的二极管对电流i a进行控制。在实际中控制电路由电压外环、电流内环及PWM 发生器构成。常用的控制方法如图2所示。PWM控制可采用三角波比较法、滞环控制或空间向量调制法（SVM）[27]。由于三相的电流之和为零，所以只要对其中的两相电流进行控制就足够了。因而在实际应用中，对电压绝对值最大的这一相不进行控制，而只选另外两相进行控制。这样做的好处是减小了开关动作的次数，因而可以减小总的开关损耗。该电路的优点是输入电流的THD小，功率因子为1，输出直流电压低，效率高，能实现功率的双向传递，适用于大功率应用。不足之处是使用开关数目较多，控制复杂，成本高，而且每个桥臂上两只串联开关管存在直通短路的危险，对功率驱动控制的可靠性要求高。为了防止直通短路危险，可以在电路的直流侧串上一只快恢复二极管[28]。

图1 三相六开关PFC电路

图2 三相六开关PFC电路控制图

3 单相PFC组合的三相PFC

由三个单相的PFC电路组合构成三相PFC电路如图3及图4所示[1,2,3]。图3中每个单相PFC后跟随一个隔离型DC/DC变换器。DC/DC变换器的输出并联后向负载供电，该电路由于需3个外加隔离DC/DC变换器，因此成本较高。图4电路是3个单相PFC变换器在输出端直接并联而成的。每个单相PFC的控制可采用平均电流控制法、峰值电流控制法或固定导通时间控制法。单相PFC组合成三相PFC的技术优势是：可以利用比较成熟的单相PFC技术,而且电路由3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。与三相六开关PFC相比，开关器件少，没有直通问题，控制可沿用单相PFC成熟的控制技术。但是这种电路由3个单相PFC组成，使用的元器件比较多。图4电路中3个单相PFC之间存在相互影响，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。电路的效率和输入电流THD指针有所下降，不适合于大功率应用。

图3 由三个单相PFC组成三相PFC电路1

图4 由三个单相PFC组成三相PFC电路2

图5是通过工频变压器把三相电压变换成2个单相，这两相的输出电压幅值相同，相位差90°。然后用2个单相PFC电路来实现三相PFC的功能[4]。与图3及图4相比，这种电路少用一个单相PFC模块。变压器可以实现PFC电路与输入网侧间的隔离作用。而且通过变压器变比的设计，可以调整PFC的输入电压。但使用变压器增大了系统的体积和重量。

图5 由2个单相PFC组成三相PFC电路

三相到二相变压器的Scott和Leblanc两种绕法分别如图6及图7所示。在Scott绕法中，N2=N1(N1,N2变压器所绕线圈的匝数)。变压器的输入输

出电压向量如图6所示。在Lebanc绕法中，N1=N2，x=N1/3=N2/。电压V S1，V S2的向量图如图7所示。变压器的这两种绕法都能保证输入侧三相电流的平衡。

图6 变压器的Scott绕法

图7 变压器的Leblanc绕法

4 三相单开关PFC电路

由于无论是三相六开关PFC还是由单相PFC组成的三相PFC成本都比较高，所以人们一直在寻找更简单有效的三相PFC拓扑。于是文献[5]中提出了三相单开关PFC拓扑结构。三相单开关PFC电路及其控制框图如图8所示。三相单开关PFC电路可以看成是单相电流断续（DCM）PFC在三相电路中的延伸[5,6]。控制中只有一个电压环，输出电压与参考电压的误差经过放大后与三角波比较来控制开关的动作。三相单开关PFC电路开关频率远高于电网频率，在一个开关周期内，输入电压近似不变。在开关导通期间，加在三个Boost电感上的电压分别为各相此时的相电压（近似不变），电感电流线性上升。在这期间各相的电流峰值正比于对应各相相电压瞬时值。但在开关关断时，加在输入各电感上的电压由输出电压与此时的相电压瞬时值决定，因而此时电感上的电流平均值与输入电压瞬时值不再满足线性关系，电流也就产生了畸变。