Abstract：　　Three-phase PFC is put forward and analyzed, and the real reason of making people dissatisfy researched, which is the restriction among three phases’ circuits, in this paper. And what’s more, the main circuit topology controlled with continuous current type, the circuit principium and the controlling mode are pointed out though the equivalent transform and deepening to the circuit are illustrated in the paper.

Keyword：PF THD

1　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

4　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。


参考文献

www.ixys.com