1、三相功率因数（PFC）技术的综述第1页，共33页。背景：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）。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第2页，共33页。IEC 61000-3-2A类标准类标准 奇次谐波次数最大允许的谐波
2、电流值（A）32.3051.1470.7790.40110.33130.21n=15 至 390.15*15/n偶次21.0840.4360.30n=8 至 400.23*8/n注：表中n为谐波次数 3第3页，共33页。抑制谐波的两种主要方法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。4第4页，共33页。三相六开关三相六开关PFC主电路主电路主电路图电路工作原理：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；
3、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。5第5页，共33页。三相六开关三相六开关PFC控制电路控制电路常用的PWM控制 控制电路由电压外环、电流内环及PWM发生器构成。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）。6第6页，共33页。三相六开关三相六开关PFC特点特点 优点：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：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
4、制的可靠性要求高。7第7页，共33页。三相单开关三相单开关PFC电路电路三相单开关PFC电路及其控制框图 三相单开关PFC电路可以看成是单相电流断续（DCM）Boost PFC在三相电路中的延伸。8第8页，共33页。三相单开关三相单开关PFC工作原理工作原理T1T2T3TsiaibicT4ti 在T1期间开关导通，电流ia，ib，ic线性增加(设VcVb0）。T2期间开关关断，ia，ib，ic在输出电压和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第9页，共33页。各阶段等效电路各
5、阶段等效电路T1T2T3T410第10页，共33页。工作阶段电流表达式工作阶段电流表达式VcVbVaLticibia32331,VoVcVoVbVoVaLTtcIpeakbIpeakaIpeakicibia2022121021VoVaVcVoVcVaLTTtTTIcTTIaicibia20,20,20,sin()023 sin()632sin()sin(2)23 22633 sin()3 sin()36sin()3 sin(2)3223 sin()3 sin3aavgsaavgsaavgstVDitLfMtMttVDitLfMtMtMttVDiLfMtM 32()6ttT1T2T3电感电流的平
6、均值 表达式0 mVMV升 压 比：11第11页，共33页。电感电流波形电感电流波形电感电流波形图电感上电流平均值 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。12第12页，共33页。电流波形与升压比的关系电流波形与升压比的关系电流波形 分析：升压比M越大，可以缩短一个开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。从图可知，升压比M越大，电流波形正弦度越好。M2M2.5M3M3.513第13页，共33页。电流谐波与升压比的关系电流谐波与升压比的关系5次7次11次13次 升压比M越大，各次谐波含量越小。14第14页，共33
7、页。三相单开关三相单开关PFC特点特点 缺点：缺点：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。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。优点：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。系统成本低。15第15页，共33页。三相单开关三相单开关PFC谐波注入法谐波注入法VaVcVbD1D3D5D2D4D6SCoLoadL
8、bLaLcDs电压补偿器调制比m乘法器六次谐波发生器PWM 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。谐波注入法主电路及其控制框图 16第16页，共33页。谐波注入法原理谐波注入法原理 6次谐波注入使开关导通比变为：d(t)=D1+msin(6t+3/2)m为调节参数，0m1。sin()sin(5)51IItIta2sin()sin(5)5133IItItb4sin()sin(5)5133IItItc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，
9、三相电流可近似为 sin()()sin(5)511sin(7)1iItIm Itam It2sin()()sin(5)511332sin(7)13iItIm Itbm It4sin()()sin(5)511334sin(7)13iItIm Itcm Itd(t)=D1+msin(6t+3/2)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第17页，共33页。谐波注入法与固定占空比谐波注入法与固定占空比各次谐波比较各次谐波比较00.20.40.60.811.21.41.61.8571113系列1系列2系列3A谐波次数固定占空比IEC6100032A类标准谐波注入法d(t)=D1+m
10、sin(6t+3/2)m4%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。18第18页，共33页。谐波注入法与固定占空比谐波注入法与固定占空比THD比较比较固定占空比谐波注入法d(t)=D1+msin(6t+3/2)m4%19第19页，共33页。谐波注入法与固定占空比允谐波注入法与固定占空比允许输出最大功率比较许输出最大功率比较固定占空比谐波注入法d(t)=D1+msin(6t+3/2)m4%20第20页，共33页。改变开关频率法改变开关频率法T1T2T3TsiaibictiM2M2.5M3.5M3电感电流波形电感电流平均值波形 每当三相Boost电感电流均下降到零时，开关管立即导
11、通，开始下一个开关周期。在这种条件下Boost电感工作在DCM与CCM的临界情况(critical)。优点：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。21第21页，共33页。单开关交错并联单开关交错并联VaVcVbD11D13D15D12D14D16S1CoLb1La1Lc1Ds11Ds12D21D23D25D22D24D26S2Lb2La2Lc2Ds21Ds22Loadia上ia下ia总tttib上ic上ib下ic下ib总ic总优点：优点：两个模块的电流之和有可能是连续的，
12、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。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。电流波形 22第22页，共33页。单开关单开关PFC的软开关技术的软开关技术 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。VaVcVbD1D3D5D2D4D6CoLbLaLcDsSLrCrDrLoadM工作原理：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
13、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。软开关辅助电路23第23页，共33页。三相双开关三相双开关PFC电路电路1三个Y型接法的电容构成浮动中点 用于控制的两只开关管 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。输入电感工作在电流断续（DCM）下。24第24页，共33页。电感电流波形电感电流波形S 1S 2iaibic开关驱动信号 电感电流波形 单开关电路中三个电感是同时充
14、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。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以获得比较小的THD。25第25页，共33页。三相双开关三相双开关PFC电路电路2主电路控制电路均压环 电流环 电压环 26第26页，共33页。三相双开关三相双开关PFC电路电路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
15、相联接构成三电平电路，电路可以工作在CCM或DCM方式下。图中的控制框图是电路工作在CCM下的，这种控制方法通过开关S1和S2分别控制正向电压最大相和负向电压最大相的电流来实现。整个控制包括均压环、电压环、电流环。优点优点：电路工作时开关管所承受的最大电压只有输出电压的一半，这就可以选择耐压参数小而开关速度快的半导体开关器件（如MOSFET）以提高开关频率。同时电路工作在CCM下，THD较小，前端的EMI滤波器可以设计得比较小。缺点缺点：需要检测的控制量比较多，控制比较复杂。27第27页，共33页。三相双开关交错并联三相双开关交错并联VaVcVbCo1LbLaLcDs1S1S2Ds2Co2Lb
16、LaLcDs3S3S4Ds4D1D2D3D4D5D6LoadD7D8D9D10D11D12 三相双开关电路工作在DCM下时，为了进一步减小输入电流的THD值，从而减小EMI滤波器，可以通过两个电路模块并联的方法来达到这个目的，这种交错并联方法与三相单开关PFC电路的交错并联思想是一致的。模块2模块128第28页，共33页。双开关交错并联与单开关比较双开关交错并联与单开关比较三相单开关PFC交错并联与三相双开关PFC交错并联在不同的输入电压（不同升压比M）下THD的比较 三相单开关PFC交错并联与三相双开关PFC交错并联在不同的输入电压（不同升压比M）下效率的比较 29第29页，共33页。三相三
17、开关三相三开关PFC电路电路VaVcVbD1D3D5D2D4D6LbLaLcS1S2S3Co1Co2LoadM 三相三开关PFC电路中开关S1，S2，S3是双向开关。由于电路的对称性，电容中点电位VM与电网中点的电位近似相同，因而通过双向开关S1、S2、S3可分别控制对应相上的电流。工作原理：工作原理：开关合上时对应相上的电流幅值增大，开关断开时对应桥臂上的二极管导通（电流为正时，上臂二极管导通；电流为负时，下臂二极管导通），在输出电压的作用下Boost电感上的电流减小，从而实现对电流的控制。30第30页，共33页。J.W.Kolar 所提的三开关电路所提的三开关电路 三相三开关电路中的双向开关用一只MOSFET器件与四只整流二极管组成的整流桥相联接构成的双向开关来代替，就形成了J.W.Kolar等提出的三相三开关三电平PFC电路。欧洲某公司受此电路启发，已作成了模块。均压环 电压外环 电流内环 31第31页，共33页。J.W.Kolar 所提的三开关电路所提的三开关电路优点：优点：开关所承受的电压只有输出电压的一半，因此可采用MOSFET器件。输入电流为CCM方式，因此变换效率高(可达97%）。缺点：缺点：每个桥臂要使用六只二极管，其中有两只为快速恢复二极管，元件数目多。32第32页，共33页。The End33第33页，共33页。
