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电流连续型三相PFC

时间:2010-04-21


电流连续型三相 PFC
前言 单相 PFC 从提出概念到实用化很快、很顺利,并可根据不同的需要设计成电流临界 连续型、电流连续型、电流断续型。而三相 PFC 从提出概念至今已经历十多年,但 并没有进入实用化,其根本原因是由于三相 PFC 为大功率变换器供电。因此,三相 PFC 必须为电流连续型,总功率因数必须高于 0.99,THD<10%,否则,无法同电路简 捷、可靠耐用、总功率因数可达 0.95、THD 可接近 30%的常规三相整流电路相抗衡。 但三相 PFC 必将是高功率因数三相整流方式一大分支。 目前三相 PFC 尽管控制方式千变万化,但主回路只有两、三种拓扑结构,如图 1。 图中电路各相开关和电感电流的工作状态受其它两相电路共同参与和制约,这是三 相三线制电路的特点。因此,任何一相的独立控制都是不可能的,这就是图 1 的三 相 PFC 的致命弱点,使功率因数只能达到 0.978,THD 接近 18%,而且必须是电流断 续状态[1],其性能指标并不比三相桥式整流器好多少。

因此,欲将三相 PFC 的功率因数提高到 0.99 以上,THD 小于 5%,必须切断三相间的 相互关联与制约。因此作者提出一种可实现的电流连续型三相 PFC 的电路拓扑。 2 单相倍压 PFC

1)单相倍压 PFC 的引出 单相倍压 PFC 可由单相 PFC 等效变换与演化得到,其变换演化过程如图 2。

图 2(a)为正常的单相 PFC 电路拓扑。将提升电感与开关移到交流侧,如图 2

(b),电路工作原理及输入输出关系依然等效,PFC 功能同图 2(a)。但这时整流 器的输入由于串入电感,开关网络,使整流器输入由电压形式转化为电流形式(开 关控制电流状态),整流器将交流“电流源”整流输出为直流电压。由于 PFC 已在 交流侧完成,也可将整流器用倍压整流器替换,如图 2(c),PFC 功能依不变,仅 输出电压为桥式整流的二倍。 将图 2(b)电路实用化还需将图中开关用半导体器件实现。 (i)需要解决的问题 需要注意的是,各种三相 PFC 电路中的整流二极管由于工作在高频开关状态, 而需要选用快速二极管。在这里,快速二极管的耐压与开关性能,只能首选考虑耐 压,使开关性能大打折扣。通常在三相 PFC 的应用中,需选用耐压 1200V 以上的快 速二极管,与耐压 600V 的快速二极管相比,trr、Irm、QR 等均明显大,对开关管 的开通冲击应力很大,不利于高速开关。因此在单相 PFC 应用中宁愿采用两至三只 耐压较低的快速二极管串联以代替原高耐压的快速二极管,说明如何降低 PFC 的二 极管的耐压要求的重要性。 (ii)实现问题 要使图 2(b)实用,需将图中三个开关用电力电子器件实现。通常高速交流开 关可采用 MOSFET 背靠背反向串联,实现如图 3(a)。

2)单相倍压 PFC 的实现 首先,图 2(c)中开关 S 需用电力电子器件实现。由于工作频率高 (50KHZ—100KHZ),不能选用晶闸管。耐压为输出电压 1/2,通常小于 450V,可选 用 500V 器件。因此,首先,MOSFET 可选用双 MOS 反向串联方式,如图 3(a)。如 考虑成本问题,则可选择图 3(b)电路,但图 3(b)电路中,各二极管、MOSFET 耐压为输出电压值(800V—900V),需耐压 1400V—1200V 快速二极管,相对耐压 600V 的快速二极管 trr、Irm、QR 均明显大,将对开关管开通时产生很大冲击应力, 不利于高速开关。因此在单相 PFC 中开始流行以两、三个低耐压快速二极管代替单 只耐压较高的快速二极管,以获得良好的开关特性。在单相倍压 PFC 中欲应用耐压 600V 的快速二极管,可选用图 3(c)电路。将图 2(c)电路中 D1,D2 并入图 3(c)

后得单倍压 PFC 电路如图 4。图中各二极管和 MOSFET 耐压仅为 Vout 的 1/2(小于 450V),可选用耐压 500V 器件。

3)定量关系 输出电压 Vout>2VACmax,相电压 220V±20%时,Vout 在 2×(380—420) V=760—820V 范围内。 输出滤波电容耐压:380V—420V,选择耐压 450V。 D1—D6 及 MOSFET 阻断电压为输出滤波电容器电压,可选 450V 或 500V。 D1—D4 二极管电流有效值相同为 IL/√2=Iin/√2。 D5,D6 二极管由于仅工作半周,电流有效值小于 ID1—D4。 MOSFET 电流峰值为√2×Iin。 电感电流峰值为√2×Iin, 有效值为 Iin。 交流输入电流有效值: Iin, 电压 VAC, 峰值电压 UACmax=√2VAC。 3 电流连续型三相 PFC 的实现

1)单相倍压 PFC 向三相 PFC 的演化 将三个分别接于 U、V、W 三相的图 4 所示的单相倍压 PFC 的输出端并联,并将 各路输出滤波电容合并,可得三相 PFC,如图 5。由于中性线的存在,各相 PFC 仍可 独立工作。因此,各相 PFC 可运行在电流连续状态。当三相平衡时,零线工频电流 为零,高频电流可由输出滤波电容吸收。因此,可省去零线,从而实现了三相三线 制的三相 PFC 电路,如图 6,尽管去掉零线,由于输出滤波电容的箝位作用,使其 “分压” 点电位“稳定不变”,起到零线作用。这样,图 6 电路的各相电流仍可独 立控制,确保电流连续时的高功率因数和低谐波失真。

由于图 5 图 6 电路是由图 4 电路并联而得, 电路内的各种关系与图 4 电路相同, 输出功率为单相三倍。其他定量关系见三相 OFF LINE PFC 一文。

图 5.三相四线制 PFC

图 6.三相三线制 PFC

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三相 PFC 的特点

图 6 所示的三相 PFC 电路,由于各相电流的分别控制和电路中输出滤波电容的 箝位作用,而具有了如下特点: 1)单相 PFC 相比,输出滤波工频及 2 倍频、3 倍频、6 倍频电流为零。输出滤 波电容的主要作用为:电压箝位和吸收高频开关电流,而不再主要是波除工频对稳 定系统。 2)与单项 PFC 相比,由于输出电压稳定,消除了二次谐波及对反馈的影响,有 利于功率因数的进一步提高,降低 THD 3)用图 3(c)交流开关电路使各二极管,MOSFET 的耐压要求仅为 450V-500V, 有利于提高电路的开关性能和整机性能。 4)实现电流连续工作模式使主开关的电流额定降到最低。 5)每一相的全部二极管及 MOSFET 可置于一个封装中,以简化结构设计和寄生 参数的影响,如 IXYS 的 UVM25E,这也表明本文提出的三相 PFC 是一种可实现,可 实用化的方案。


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