三相高功率因数整流器的研究现状及展望

三相高功率因数整流器的研究现状及展望

武志贤　蔡丽娟　汤酉元

华南理工大学

　　摘要:介绍了三相高功率因数整流器的几种主要拓扑——三相单开关功率因数校正电路、三相󰃗三开关󰃗三电平PWM(VIENNA)整流器、三相全桥功率因数校正电路等,特别地关注三相󰃗三开关󰃗三电平PWM(VIEN2优点及其不足进行了分析,通过比较研究指出了三相PFC的发展趋势。NA)整流器,并对每种拓扑的特性、

　　关键词:三相功率因数校正　单开关　VIENNA整流器　三相全桥整流器　软开关技术ResearchConditionandTendencyofThree-phaseHighPowerFactorRectifier

WuZhixian　CaiLijuan　TangYouyuan

Abstract:Thispaperreviewsometopologiesusedrecently,mainlyincludingthree2phasesingle2switchrec2tifier,three2phase󰃗switch󰃗levelPWM(VIENNA)rectifierandthree2phasefull2bridgerectifier.ThepaperpaysmoreattentiontoVIENNArectifier.Italsogivescharacteristics,advantagesanddisadvantagesofeverytopolo2gy.BycomparingVIENNArectifierwiththree2phasefull2bridgerectifierthepaperpointsoutthedevelopmenttendencyofthree2phasehighpower2factorrectifier.

Keywords:three2phasepower2factorcorrection　singleswitch　VIENNArectifier　three2phasefull2bridgerectifier　soft2switchingtechniques

1　引言

[1～3]

连续导电模式DCM(DiscontinuousConduct

Mode);从基本拓扑划分,可以分为Boost型、Buck型、Cuk型、Buck2Boost型等;按输入电压与

随着电力电子装置的广泛应用,给公用电网

造成严重污染,谐波和无功问题日益受到重视。为了减轻电力污染的危害程度,许多国家纷纷制定了相应的标准,如国际电工委员会的谐波标准IEEE5552和IEC100032等。

传统的整流装置大都采用二极管整流或相控整流,这些电路存在谐波污染大、交流侧波形畸变严重、功率因数低等缺点,难以满足IEEE5552或IEC100032标准,也不能满足对整流装置的高功率密度、高效、高可靠性和低成本等的要求。

三相整流器,由于其功率大,它的输入端对电网的影响也大,因此在大功率电源装置上实施PFC(PowerFactorCorrection)的意义更为重大。三相PFC已成为国际电力电子学界研究的热门课题,目前,三相PFC还处于实验室研究阶段,其实用化问题逐渐成为研究重点。

从工作模式划分,三相PFC拓扑可分为连续导电模式CCM(ContinuousConductMode)和不

输出电压的比划分,可以分为升压型和降压型,前面提到的Boost型为升压型,Buck型为降压型,Cuk型和Buck2Boost型与电路参数的选取有关,可以升压,也可以降压[1,4]。

本文以功率开关管的数量进行划分,可以分为三相单开关PFC、三相双开关PFC、三相三开关PFC、三相六开关PFC等。因为Bonst型拓扑比其它类型的拓扑用的多,故本文主要以Boost型拓扑为例进行介绍。

2　按开关个数划分的三相PFC的

主要拓扑

2.1　三相单开关DCM整流器[1～3]

三相单开关DCMBoost型整流器的电路如图1所示。三相单开关Boost型整流器因其结构简单,成本低以及比较好的性能而倍受欢迎。这种

3

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拓扑通常采用恒定占空比控制,保持功率开关管的占空比恒定不变,每一相的电流可以很好地跟随相电压,但固定占空比控制会产生较大的5次谐波,限制了PFC功能。采用6次谐波注入法可以抑制5次谐波。并联结构并没有抑制系统的低次谐波。为了满足谐波标准的要求,通常采用增加输出电压或采用谐波注入的方法改善输入电流波形,而增加输出电压同时会增加开关管的电压应力。软开关技术的应用可以减少开关管的损耗,提高效率[3]。

图1　三相单开关Boost整流器拓扑(虚线内为ZCT电路)

这种拓扑用简单的电路就能获得比较高的功率因数,但开关管上的电压和电流应力大,同时不能在整个负载范围实现单位功率因数校正,尤其是在轻载时电流波形畸变比较大。提高输出电压的等级使输出电压值大于输入线电压的峰2峰值,可以减小电感的放电时间,改善PFC性能,但这又会增加功率开关管的开关应力。

这种拓扑存在的主要问题是:首先,必须工作在DCM方式,这必将引起较大的EMI噪声,需要较大的EMI滤波器;其次,只有一个功率开关管,能量不能双向流动,不能实现真正意义上的功率因数校正;再次,功率开关管是在大电流的条件下关断,所以关断损耗比较大。为了减少关断损耗,可以采用一些软开关技术,ZCT辅助电路如图1中虚线区所示。这种拓扑通常用于小功率场合。文献[5]提出一种三相单级PWM整流器,与前面提到的三相单开关拓扑不同的是,采用高频变压器隔离,既可以用于升压也可以用于降压。在输入电流断续的情况下,可以获得比较高的功率因数和功率密度,输出电压范围也很宽,非常适用于中等功率等级(kW级别),可用于通讯供电。

开关应力大是这种电路的主要问题,解决的方法是采用特殊的电路结构,如用两个同时导通或关断的开关管串联代替原来的一个开关管,每个开关管的电压应力就会减小。当然,随之而来的串联均压问题必须妥善的解决。2.2　三相双开关PFC电路

图2　三相双开关交错并联的电路(虚线区是ZCT结构)

图3是另一种三相双开关的PFC拓扑。工作

)原理是,三相输入电压Va、Vb、Vc(相位相差120°通过带有中心抽头的变压器变成两相电压Vab和

),Vab和Vck的矢量图如图4所Vck(相位相差90°

示。通过这样的变换,就变成两个三相单开关

PFC的并联,与图2所示的交错并联拓扑的工作过程是一样的。尽管󰃜Vab󰃜≠󰃜Vck󰃜,但采用适当控制可以使两个电路平分输出电压,这一特性能够抵消电容中的低频纹波,从而有效地减少电容的温升,延长电容的寿命[2]。三相单开关PFC整流器的一些固有的不足在三相双开关的结构中也存在,如不能在整个负载范围实现功率因数校正等。

图3　新颖的三相双开关整流器拓扑

图4　两相的矢量图

　　因为每个电路独立工作,所以两个功率开关管的开通和关断互不影响。当两个功率开关管同时开通或关断时,一个变换器的电流可能会流入另一个变换器。为了减少两个PFC电路的相互影响,对拓扑进行了改进,如图3所示,用两个分开的电感L1f、L1b代替原来的一个电感L1(当用一个

图2所示是交错并联三相PFC拓扑。交错并联Boost整流器是三相双开关PFC电路的一种,工作在DCM方式。这种结构由于采用了双开关

交错并联电路,减少了输入电流纹波,提高了电路的效率,同时减少了输入EMI滤波器的体积,但4

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电感L1结构时,L1在L1f所在的位置),同样L2f、L2b代替L2f所在位置的电感L2;续流二极管由D1增加为D1f和D1b(D1在D1f所在的位置),续流二极管D2增加为D2f和D2b(D2在D2f所在的位置)。其原理如下[1,2]。

假设某一时刻(e1>0,e2<0)开关S1和S2同时导通,如图5a所示。由于中线的存在,B点的电势为负,D4不可能导通,因此上面变换器的电流流入下面的变换器,两变换器的流入电流和流出电流不相等。为了解决这一问题,增加了二极管D1b和D2b。同样在e1>0、e2<0的情况下,当S1和S2同时关断时,如图5b所示,B点电势为负,二极

一般的三相PFC拓扑都存在一个严重的问

题,即开关管需要承受直流母线电压的全压,三相整流母线电压接近单管的两倍,故管子选择困难。三相三开关三电平PWM(VIENNA)整流器的开关管电压应力只是输出电压的一半,解决了开关应力大的问题,拓扑如图7所示。这种拓扑既可以工作在DCM方式也可以工作在CCM方式,其特征是:三线输入,没有中线,输入电流连续,理论上讲输入电流为正弦波,没有低次谐波。

管D6、D2a、D2b、D7导通,D4和D1b被反向偏置,上面变换器的电流流入下面的变换器。因为电感上的电流不能突变,所以,为了强制二极管D4和D1b导通,加入电感L1b和L2b。图7　三相三开关三电平PWM(VIENNA)整流器

VIENNA整流器的优点为:开关管电压应力

只是输出电压的一半,用于中等功率场合时,快速恢复的功率开关管如MOSFET等就可以使用。其拓扑简单,只有3个开关及3个驱动电路,通过简单的控制可以使输出中点电压稳定,一相驱动

图5　两级之间的相互影响

电路失效不会导致输出电路的短路;满足高功率密度,高效,高可靠性和低成本的要求;三电平特性使输入电流的纹波、传导干扰、共模干扰小。不足之处是VIENNA整流器的能量只能单向流动[7～10]。

这种拓扑常用的控制方法有滞环控制、空间矢量控制、单周控制等。在这几种控制方法中单周控制是一种概念清晰、直观、简单的控制方法,它不需要检测输入电压和乘法器,只要一个带复位端的积分器,两个比较器,两个触发器和一些简单的逻辑电路就可以实现三相PFC的恒频控制。文献[11]中提出一种应用单周控制策略,把VIEN2NA拓扑等效成两个Boost子电路串联的方法。2.4　三相六开关PFC电路

2.3　三相三开关PFC电路

最基本的三相三开关PFC拓扑是由3个单相PFC电路组成的,每一相独立工作,工作在DCM方式,成熟的单相PFC技术可以用于这里。为了减少三相间相互影响同样可以用上面提到的改进方法,如图6所示[6]。可以用于大功率的场合。它的优缺点与三相单开关的拓扑相似,这里不再赘述。

三相单开关,3个单相PFC的并联结构都要求电路工作在DCM方式。为了满足大功率应用场合的要求,特别是在高性能的要求时,通常需要

图6　由3个单相变换器组成的三相带有ZVT

辅助电路的PFC整流器

Boost整流器工作在CCM方式,因为在CCM方

式下,系统具有高效率、电流特性好和低EMI辐射等优点。

5

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三相六开关PFC拓扑如图8所示,能实现能量的双向流动,它是把在PWM逆变电路中使用的PWM技术移植到整流电路中形成的。这种变换器采用双环控制,外环是电压调制环,内环是电流环,电流和电压特性都很好,但存在电路结构复杂(需要6个开关管)、成本高,电路的控制比较复杂等问题。由于拓扑工作在CCM方式,二极管存在反向恢复问题,所以在这种拓扑中开关损耗主要是开关管的开通损耗,解决的方法是采用软开关技术[1,12],文献[1]中给出一些软开关拓扑。

PWM整流器的仿真结果进行了比较,两者相比VIENNA整流器有如下优点:①VIENNA整流

器的结构比三相全桥PWM整流器简单,成本比三相全桥PWM整流器低;②如果两者能量都是单相流动,VIENNA整流器比三相全桥PWM整流器的效率高,交流侧的滤波器尺寸比三相全桥PWM整流器的小,性能比三相全桥PWM整流器好;③在纹波一定的情况下,VIENNA整流器输入电感的值比三相全桥PWM整流器小。VI2ENNA的不足之处是能量只能单向流动。比较结果表明,用于中等功率场合时,VIENNA整流器是一种值得推荐的拓扑,也是很有发展前景的拓扑。随着电力电子技术的发展,要求变换器高频高效运行,而且具有高功率因数。各种新型开关器

图8　三相全桥Boost整流器3　控制思路

三相高功率因数整流器的控制思路是在保证

直流输出电压恒定的情况下,通过控制开关管的通断,使输入电流尽可能为与输入电压同相位的正弦波,从而达到提高功率因数和消除谐波的目的。因此,三相整流器的控制分为间接电流控制和直接电流控制。

间接电流控制是通过调节电路的输入电感,来间接控制输入电流。间接电流控制动态响应慢,无限流功能等缺点影响了它的广泛应用。直接电流控制是直接控制输入电流,使之成为与输入电压同相位的正弦波。直接电流控制主要有滞环电流控制、预测电流控制、模糊控制、滑模变结构控制、直接电流解耦控制、空间矢量控制、电流无差拍控制等。

文献[7～13]提出一种通用的三相PFC控制器——单周控制器,对于能够解耦成并联或串联的双Boost子电路的多数源于Boost型拓扑的整流器如VIENNA整流器和三相六开关拓扑都适用。单周控制的原理是把一个工频周期分成6个区间(并联型按三相电压过零点划分,串联型按三相电压的交点划分),在每个区间只有两个功率开关管工作,因而减少了开关管的开关损耗。所有功率开关管低电流开通,减少了开关管的电流额定值。

件的出现使高频不再成为问题,但高频运行条件下开关管的损耗增加。因此,如何减小开关管的损耗成为电路设计的重点,各种软开关技术的应用是解决这一问题的一种方法,三相PFC中的软开关技术也是今后研究的重点。

参考文献

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4　结束语

文献[14]对VIENNA整流器和三相全桥的6

　三相高功率因数整流器的研究现状及展望

9　JohannWKolar,FranzCZach.ANovelThreePhaseUtility

InterfaceMinimizingLineCurrentHarmonicsIfHighPowerTelecommunicationsRectifierModules.374

10　JohannWKolar,UweDrofenik.ANewSwitchingLossRe2

ducedDiscontinuousPWMSchemeforaUnidirectionalThreePhase󰃗Switch󰃗LevelBoostTypePWM(VIENNA)Rectifier.IEEE,1999:2922

11　ChongmingQiao,KeyueMSemdley.AGeneralThree

PhasePFCControllerPart󰂫.forRectifierswithaSeries

IEEE,1994:367～

电气传动　2005年　第35卷　第2期　

phaseAC󰃗DCConverterUsingUniversalInputVoltageTypePFCCircuitandPhase2shiftControlledDC2DCCon2

～2124verter.IEEE,2002:2117

13　ChongmingQiao,KeyueMSemdley.AGeneralThree2

phasePFCControllerPart󰂪.forRectifierswithaParallel

～2511ConnectedDualBoostTopology.IEEE,1999:2054

14　TeroViitanen,HeikkiTuusa.AStatePowerLossConsid2

erationofthe50kWVIENNAIandPWMFull2bridge

～920Three2phaseRectifier.IEEE,2002:915

收稿日期:2003211217修改稿日期:2004209211

～2519ConnectedDualBoostTopology.IEEE,1999:2512

12　KazuakiMino,SeikiIgarashi,KurokiKazuo.AThree2

荟萃电气自动化技术精华的丛书——推介一套新颖实用的电气自动化新技术丛书　　由中国自动化学会电气自动化专业委员会和中国电工技术学会电控装置专业委员会组织编写的电气自动化新技术系列丛书,自1992年由机械工业出版社出版以来,已历时12年,共出版了42种。题材广泛、新颖,可谓是荟萃了电气自动化技术的精华,受到了广大读者的青睐和欢迎,至今已发行50余万册,而且在许多大城市出现了售缺现象。许多电气工程技术人员反映,读了这些书以后,知识得到更新、充实,工作有底。特别是做工程项目的人员,找到一本合适的丛书后,就可以帮助设计出一个好的方案,受益匪浅。

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(第2这套丛书最近还要推出《模糊控制原理与应用》

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路与应用》、《基于模糊动态系统的非线性系统鲁棒控制》等等,我们期待着一批批好书的出版,为电气自动化技术的普及和推广应用做出积极贡献。

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(哈尔滨工业大学　王炎)

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