三相功率因数(PFC)技术的综述

M
sin(t) 3sin(t)
0 t
6
ia, avg
V 0D2 2Lfs
M
M sin(t) 3 sin(2t 2 )
2
3
3sin(t
2
3
)
M
3
sin(t
6
)
ia, avg
V 0D2 2Lfs
M
M sin(t) 3 sin(2t )
3
3sin(t
2
3
)
M
3
sin(t
S
D4
D5 D6
Co Load
电压补偿
PWM
器
六次谐波 发生器
乘法器
调制比m
谐波注入法主电路 及其控制框图
16
谐波注入法原理
输入电流谐波中五次谐 波占主导地位，电感电 流的平均值表达式中略 去5次以上谐波时，三
相电流可近似为
★ 6次谐波注入使开关导通比变为： d(t)=D[1+msin(6ωt+3π/2)] m为
M＝3.5 M＝3 M＝2.5
优点：
★ 由于开关频率改变，从频谱 上看谐波不会集中分布在开关 频率附近，而是分布在某个频 率区域范围内。这就减小了谐 波的幅值，PFC电路前的EMI 滤波器可以设计得比较小。
M＝2
21
两组电路尽可能工作在接 近DCM与CCM临界情况， 两只开关的驱动信号在相
位上相错开180o。
软开关辅 助电路
D1 D2 D3
Ds Lr
S
Cr
Co
Dr
D4
D5
D6
M
Load
工作原理：
★ 在主开关S导通期间，Cr通 过Lr，S，M内部的二极管放电 ，使Cr电压为上负下正。在开 关关断前一段时间，辅助开关M 先导通，Cr与Lr 谐振，将Cr上 充好的电能放出。谐振电流经过 主开关管的方向与原来主开关管 电流方向相反，抵消了主开关管 的电流，实现主开关管的零电流 关断。
T1
Va
La
Vb
Lb
Vc
Lc
D1 D2
Ds
S
Vout
D6
Va
La
Vb
Lb
Vc
Lc
T2
D1 D2
Ds
S
Vout
D6
Va
La
Vb
Lb
Vc
LcΒιβλιοθήκη T3D1D2
Ds
S
Vout
D6
Va
La
Vb
Lb
Vc
Lc
T4
D1 D2
Ds
S
Vout
D6
10
工作阶段电流表达式
ia
Va
ib
ic
t L
Vb Vc
T1
ia Ipeak, a
三相功率因数（PFC）技术的综述
背景：
★ 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1994年颁布了《电能质量公用 电网谐波》标准（GB/T 14549-93） 。
调节参数，0<m<1。
I a I 1 s i n (t ) I 5 s i n ( 5 t ) I b I 1 s i n (t 2 3 ) I 5 s i n ( 5 t 3 )
I c I 1 s i n (t 4 3 ) I 5 s i n ( 5 t 3 )
d(t)=D[1+msin(6ωt+3
3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6
M
+3π/2)] m＝4%
19
谐波注入法与固定占空比 允许输出最大功率比较
输出最大功率（Ｗ）
谐波注入法
d(t)=D[1+msin(6ωt +3π/2)] m＝4%
固定占空比
1.2 104 1.1 104
1 104
9000
8000
7000
6000
5000
★ 由于电流工作在DCM下，输入侧的电流THD值大，并 需要有较大的EMI滤波器。
15
Va
La
Vb
Lb
Vc
Lc
三相单开关PFC谐波注入法
D1
D2 D3
Ds
★ 为了减小输出电压值和输入电流 的THD值，可以使用注入谐波的方法 来实现开关管的脉宽微调，从而减小 电流THD值。谐波注入法主要是通过 注入6次谐波来抑制输入电流谐波。
优点：
★ 仅使用一只开关管，控制容易。
★ 由于电路工作在DCM下，Boost二极管Ds不存在反向恢 复问题，一般情况下可以不使用吸收电路。
★ 开关在零电流下导通，开关开通损耗小。
缺点：
★ 系统成本低。
★ 从上面的分析可知：为了减小网侧输入电流的畸变就
要提高输出电压值，这就增大了开关管承受的电压，也增 加了后面DC/DC变换器的电压耐量，也给Boost二极管的 选择带来困难。
Ds2
Load
主电路
S2
Vc2
电流环
电压 补偿
Vc2
｛ia,ib,｛ici}am＊ax,ib＊,ic＊}maxref
Vout /2
PI
Vc1
控制电路
S1 电流环
电压 补偿
｛ia,ib,ic}min｛ia＊,ib＊,ic＊}minref
Vc1
均压环
电流环
电压环
26
三相双开关PFC电路2
★ 输入端Y型接法的三个电容构成的中点与两只串联的 开关中点和两个串联输出电容的中点相联接构成三电平 电路，电路可以工作在CCM或DCM方式下。
π/2)] 代入电感电流的 平均值表达式中并忽 略m2和高于7次的谐波
17
谐波注入法与固定占空 比各次谐波比较
★ 注入6次谐波时，可以减小5次谐 波，但同时也增大了7次谐波 。
固定占空比
A
1.8 1.6
1.4
IEC61000－3－
1.2 1
系列1 系列2 系列3
2A类标准
0.8
0.6
0.4
0.2
谐波注入法
同的电感放电的，这就使电感放电时间
缩短，即缩短了电感电流平均值与输入
电压瞬时值的非线性阶段，可减小输入
电流的THD。在较小的输出电压下就可
i i i
a b c
以获得比较小的THD。
电感电流波形
25
三相双开关PFC电路2
D1
D2 D3
Ds1
C1
Va
ia
La
S1
Vb
ib
Lb
Vc
ic
Lc
S2
C2
D4 D5 D6
ia ' I1 m siIn 1 (s in t) (7 (I t5 )m I1 )sin(5 t ) iib c '' I I 1 1 m m s siiI I n n 1 1 ( ( s siin n tt ( (7 7 4 2 3 3 tt) ) 2 4 3 3 ( ( I I5 5 ) ) m m I I1 1 ) )s siin n ( (5 5 tt 3 3) )
S6
常用的PWM控制
6
三相六开关PFC特点
优点： ★ 输入电流的THD小，功率因数为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。
缺点： ★ 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。
7
三相单开关PFC电路
用于控制的 两只开关管
24
电感电流波形
★ 单开关电路中三个电感是同时充放电的。
在该电路中，电压值最高相的Boost电感与其 余两相上的Boost电感充电或放电在时间上是 错开的 。
开关驱动信号
S1 S2
★ 在电感放电起始的一段时间里输出
电压全部参与电感放电，而单开关电路
中输出电压是被分成两部分分别参与不
M＝2 M＝2.5 M＝3 M＝3.5
13
电流谐波与升压比的关系
5次
7次
★ 升压比M越大，各次谐 波含量越小。
% 100 in/i1
10
1
11次
0.1
2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 3 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6
13次
14
三相单开关PFC特点
S4 S5
S6
主电路图
-
5
Vref
PI
Vout
三相六开关PFC控制电路
★ 控制电路由电压外环、电 流内环及PWM发生器构成。
ia
iaref
Va
sign
ib
ibref
Vb
sign
ic
icref
Vc
sign
★ PWM控制可采用三角波 比较法、滞环控制或空间矢量 调制法（SVM）。
S1 解 S2 码 S3 电 S4 路 S5
★ 国际电工学会也于1988年对谐波标准IEC 555-2进行 修正，欧洲制定IEC1000-3-2标准，传统整流器一般 不符合新的规定；因此，传统整流器将面临前所未有 的挑战。
2
IEC 61000-3-2A类标准
奇次 偶次
谐波次数 3 5 7 9 11 13
n=15 至 39 2 4 6
n=8 至 40
4000
3000
2000
600
650
700
750
800
850
900
输出电压
20
改变开关频率法
i
电感电流波形 电感电流平 均值波形
0
ia
ib ic
T1
T3
Ts T2
★ 每当三相Boost电感电流均下 降到零时，开关管立即导通，开 始下一个开关周期。在这种条件 t 下Boost电感工作在DCM与CCM 的临界情况(critical) 。
6
)
t
6
3
t
3
2
11
电感电流波形图
电感电流波形
★ 因为开关频率高（与工频相比）， 可以用电感上电流平均值近似虑去调 频后的实际电流。
电感上电流平均值
12
电流波形与升压比的关系
电流波形
★ 从图可知，升压比M越 大，电流波形正弦度越好。
★ 分析： 升压比M越大，可以缩短一个开0关 周期内输入电流平均值与输入电压 瞬时值的非线性阶段T2和T3，因而 可以减小电流畸变。
优点：
D 24 D 25 D 26 D s22
★ 两个模块的电流之和有可能是连续的， 输入网侧电流的谐波显著减小 。
★ 两只开关驱动信号在相位上错开180o， 使系统的等效开关频率翻倍，这可以使 EMI滤波器的截止频率提高。
22
Va La Vb Lb Vc Lc
单开关PFC的软开关技术
★ 为了减小开关损耗，提高开关频率进而减小输入 滤波器，减小EMI等，可以通过辅助开关M和Lr，Cr 组成的谐振支路使主开关管实现零电流关断。
Va
Vo 3
ib ic
Ipeak, b Ipeak, c
t
T1 L
Vb Vc
Vo 3 2Vo
T2 3
VaVcVo
ia IaT1T2
ib0
t
ic IcT1T2
T1LT20VcV2aVo
2
T3
升压比： MV0 Vm
电感电流的平均值 表达式
ia, avg
V 0D2 2Lfs
ib
增加 (设Vc<0，Va>Vb>0）。
ic
t
T1
T3 T4
★ T2期间开关关断，ia，ib，ic在输出电压和
Ts T2
相电压的共同作用下开始减小，最后ib减小到
零，T2期间结束 。
★ ia,ic同时回到零，T3阶段结束。 ★ 在T4期间三个Boost电流保持为零。
输入电感上的电流波形
9
各阶段等效电路
Rx
Va La Vb Lb Vc Lc
D1
D2 D3
Ds
S Co
Load
Ry
D4 D5 D6
DC
Vout PI
★三相单开关PFC电路可以看成
Vref
是单相电流断续（DCM）Boost
PFC在三相电路中的延伸。
三相单开关PFC电 路及其控制框图
8
三相单开关PFC工作原理
i
ia
★ 在T1期间开关导通，电流ia，ib，ic线性
4
三相六开关PFC主电路
+
Va ia
S1 La
S2
S3
Vb ib Lb Vc ic Lc
Co
Load Vout
★电路工作原理：
以A相为例，当A相电压为正时，S4导 通使La上电流增大，电感La充电；S4 关断时，电流ia通过与S1并联的二极管 流向出端，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ia进行控制。
电流波形
i i
a b
上 上
t i c上
i i
a b
下 下
t i c下
i i
a b
总 总
t i c总
单开关交错并联
D 11 D 12 D 13 D s11
Va
La1
Vb
Lb1
Vc
Lc1
S1
Co
Load
D 14 D 15 D 16 D s12
D 21 D 22 D 23 D s21 La2 Lb2
S2 Lc2
0
d(t)=D[1+msin(6ωt
5
+3π/2)] m＝4%
7
11
13
谐波次数
18
谐波注入法与固定占空比 THD比较
THD 30
(%) 28 26
固定占空比
24
22
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
谐波注入法 d(t)=D[1+msin(6ωt
0 2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 3
最大允许的谐波电流值（A） 2.30 1.14 0.77 0.40 0.33 0.21
0.15*15/n 1.08 0.43 0.30
0.23*8/n
注：表中n为谐波次数
3
抑制谐波的两种主要方法
★ 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 。
★ 主动式方法，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、功率因数 高等特点，即具有功率因数校正功能。
23
三相双开关PFC电路1
★ 三相双开关PFC电路中，浮动中点与两只串联 开关管的公共点相联 ，电路可以看成两个Boost PFC电路在输出端并联。
D1
D2 D3
Ds
★ 输入电感工作在
Va
La
Vb
Lb
Vc
Lc
Load
S1 Co
电流断续（DCM） 下。
S2