揭秘三相功率因數(shù)校正 (PFC) 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

三相功率因數(shù)校正 (PFC) 系統(tǒng)（或也稱為有源整流或有源前端系統(tǒng)）正引起極大的關(guān)注，近年來(lái)需求急劇增加。推動(dòng)這一趨勢(shì)的主要因素有兩個(gè)。本文為系列文章的第一部分，將主要介紹三相功率因數(shù)校正系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。

圖1總結(jié)了一些需要PFC前端的常見(jiàn)應(yīng)用。首先是汽車(chē)電子，經(jīng)過(guò)幾年的發(fā)展，該領(lǐng)域增長(zhǎng)動(dòng)力強(qiáng)勁，預(yù)計(jì)未來(lái)五年的復(fù)合年增長(zhǎng)率將達(dá)到 30%。充電基礎(chǔ)設(shè)施，尤其是快速直流 EV 充電樁，需要跟上電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展步伐，以有效推動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)的普及。這些 AC/DC 轉(zhuǎn)換系統(tǒng)需要在前端使用三相 PFC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以高效且有效地提供 10 kW 以上的功率。隨著 EV 快速充電接近 400 kW，PFC 級(jí)正在成為直流充電關(guān)鍵的一環(huán)。除了 EV 充電之外，還有其他用到三相電的高增長(zhǎng)市場(chǎng)，例如用于電網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng) (ESS) 的雙向轉(zhuǎn)換器和用于工業(yè)場(chǎng)所和數(shù)據(jù)中心的大型不間斷電源 (UPS)。此外，隨著連接到電網(wǎng)的開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)的增加，對(duì)于電磁干擾限制和諧波失真的監(jiān)管也越來(lái)越嚴(yán)格，例如 IEC?6100?3/12。PFC 通常是減少干擾和諧波含量的解決方案之一。

推動(dòng)三相 PFC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)普及的第二個(gè)驅(qū)動(dòng)因素是碳化硅 (SiC) 功率半導(dǎo)體的出現(xiàn)。SiC 器件具有更高的擊穿電壓和更低的開(kāi)關(guān)損耗，相比于硅基開(kāi)關(guān)，可在更高頻的情況下實(shí)現(xiàn)高效率，因此能在尺寸、成本和性能方面提供全面的解決方案。SiC MOSFET 和二極管正在為電力電子器件提供更高功率和更高電壓的應(yīng)用。

圖1. 在電動(dòng)車(chē)充電AC/DC 轉(zhuǎn)換中使用三相PFC的需求激增。

推動(dòng)使用三相 PFC 的其他應(yīng)用包括用于工業(yè)場(chǎng)所和數(shù)據(jù)中心的儲(chǔ)能系統(tǒng) (ESS) 和不間斷電源 (UPS)。

本文介紹了三相系統(tǒng)的主要優(yōu)勢(shì)，并深入探討了三相 PFC 的基本設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)。此外，還介紹了市場(chǎng)上常見(jiàn)的三相 PFC 升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并討論了它們的優(yōu)缺點(diǎn)?？偟膩?lái)說(shuō)，本文提供了有關(guān)如何從頭開(kāi)始了解三相 PFC 設(shè)計(jì)的指導(dǎo)，并介紹了如何根據(jù)應(yīng)用要求選擇合適的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

三相系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是什么？

與單相配置相比，三相系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)更高功率的系統(tǒng)，具有更高的功率密度并減少每瓦特所需的布線、尺寸或重量。此外，三相系統(tǒng)提供恒定功率輸出，而單相系統(tǒng)具有可變輸出功率，通常需要大型低頻濾波器為負(fù)載供電。

如果看一下單相配電系統(tǒng)（有兩根電線：相線和中性線）提供給特定電壓 (VRMS) 和負(fù)載 (R) 的功率，可以得到：

（公式1）

并且

（公式2）  

如果將電壓和電流相乘得到瞬時(shí)功率并取平均值，可以得到：

（公式3）

并且

（公式4）

或

（公式5）

圖2直觀展示了這些公式并揭示了單相系統(tǒng)的一個(gè)重要特征。瞬時(shí)輸出功率不是常數(shù)，而是VLine的函數(shù)。

圖2.單相電網(wǎng)的功率流

單相配電系統(tǒng)的另一個(gè)基本特征與功率密度有關(guān)。如果我們想在使用相同的導(dǎo)線橫截面或規(guī)格的情況下將功率增加三倍，我們需要將導(dǎo)線數(shù)量增加三倍：3 根相線，3 根中性線。

對(duì)于平衡的三相配電系統(tǒng)，每個(gè)電壓都與其他電壓有 ±120° 的相移。如果對(duì)這 3 個(gè)電壓求和，可以得到：

（公式6）

如果使用向量模型來(lái)表示電壓，然后將它們相加，將始終獲得零的結(jié)果。這些向量代表一個(gè)等邊三角形。

這個(gè)公式的結(jié)果是，只有 3 根電線承載 3 個(gè)正弦電壓，它們之間的相移為 ±120°，不需要中性線。我們可以僅用 3 根電線而不是 6 根（使用 3 個(gè)單相連接）承載 3 倍的功率。這大大減少了承載相同功率所需的布線量。

這種 ±120° 相移的另一個(gè)結(jié)果體現(xiàn)在連接到每條線路的 3 個(gè)負(fù)載 R 所接收到的功率（在 △ 或 Y 配置中）。對(duì)于 Y 配置，我們得到以下公式（△ 配置也可以得到類(lèi)似的結(jié)果）：

（公式7）

可以簡(jiǎn)化為：

（公式8）

現(xiàn)在，任何時(shí)候可用的功率量都是恒定的，等于平均單相系統(tǒng)功率的 3 倍。因此，不同于單相 PFC，三相 PFC 無(wú)需大型無(wú)源存儲(chǔ)元件（電感器、電容器）來(lái)過(guò)濾瞬時(shí)功率和提供恒定功率。圖 3 展示了這種特性，與單相系統(tǒng)形成對(duì)比。

圖3.三相電網(wǎng)的功率流

為什么我們需要在三相系統(tǒng)中使用PFC？

過(guò)去，負(fù)載基本上是線性的（電阻器、電感器或電容器）。如果施加到三相配電系統(tǒng)的三個(gè)負(fù)載相同，則稱系統(tǒng)達(dá)到“平衡”，三相系統(tǒng)電流之和為零。如前一章所述，在這種情況下不需要中性線連接。

如今，負(fù)載集成了二極管和晶體管等非線性器件。輸入電流形狀可能與正弦波形有很大不同。最重要的是，如果我們不小心，有時(shí)會(huì)由于系統(tǒng)中的瞬變而對(duì)每個(gè)相位施加不同的負(fù)載。這會(huì)導(dǎo)致不平衡的三相系統(tǒng)。沒(méi)有中性線，電壓中點(diǎn)不平衡且不等于零，導(dǎo)致每條線路中的電壓幅值不相等，并可能出現(xiàn)過(guò)壓/欠壓故障。

一個(gè)常見(jiàn)的想法是，三相連接的負(fù)載會(huì)自動(dòng)平衡，不需要PFC。對(duì)于電源之類(lèi)的非線性負(fù)載，情況并非如此。

與單相電壓分配一樣，為了優(yōu)化輸送到負(fù)載的功率，電流需要與電壓具有相同的形狀，以最大化功率因數(shù)并使其盡可能接近 1。來(lái)自交流電網(wǎng)的線路電壓是正弦波，因此電流應(yīng)該也是這樣。這同樣適用于三相系統(tǒng)。所有三相電流的形狀應(yīng)與三相電壓的形狀相同。此外，三相系統(tǒng)電流也必須平衡（即電流之和應(yīng)為零）。因此，在三相系統(tǒng)中，PFC 會(huì)調(diào)節(jié)出與電壓盡可能同相的三平衡正弦電流，與單相系統(tǒng)相比，這帶來(lái)了另一層復(fù)雜性。

供電趨勢(shì)

正如我們所看到的，隨著功率容量的增加和新應(yīng)用的出現(xiàn)，三相系統(tǒng)明顯在配電和功率轉(zhuǎn)換方面具有優(yōu)勢(shì)，這促進(jìn)了它的普及，并且現(xiàn)在正隨著新趨勢(shì)的出現(xiàn)而加速發(fā)展。首先，三相系統(tǒng)的功率密度更高，因?yàn)槿€允許的功率是單相雙線配電的 3 倍。

其次，如果我們假設(shè)一個(gè)恒定的線性負(fù)載或一個(gè) PFC 前端，三相配電可以提供恒定的輸入水平（圖3綠色實(shí)線），而單相配電的輸入是一個(gè)幅值最大為2倍平均功率的正弦波形（圖 2紫色虛線）。為了將該波形重塑為恒定值，需要一個(gè)大的低頻存儲(chǔ)元件來(lái)濾波并向負(fù)載提供恒定功率。這種存儲(chǔ)元件（通常是電解電容器）體積龐大，是單相 PFC 的薄弱環(huán)節(jié)，會(huì)限制系統(tǒng)的壽命。