Buck型三相功率因數(shù)校正技術(shù)的發(fā)展

摘要：綜述了Buck型三相PFC技術(shù)近年來的發(fā)展概況，特別是其中軟開關(guān)技術(shù)的發(fā)展。分析了具有代表意義的拓撲及其優(yōu)缺點，并討論了存在的問題和未來發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：功率因數(shù)校正；軟開關(guān)；三相整流器；Buck型變換器

1? 引言

??? 隨著電力質(zhì)量標準的日益嚴格，PFC技術(shù)已成為電力電子領(lǐng)域中的研究熱點。由于單相PFC技術(shù)已經(jīng)實用化、產(chǎn)品化，于是許多學者將研究重點放在了三相PFC技術(shù)上（盡管不可控整流功率因數(shù)校正的研究已經(jīng)取得了一定進展，但還是很難滿足質(zhì)量標準，故本文只針對全控型）。提到三相PFC技術(shù)，很容易想到慣用的Boost＋DC/DC拓撲，但是，如果要求輸出電壓低于2.12V，或輸出電壓大范圍可調(diào)時，則Buck型是一個比較好的選擇。另外，Buck型還具有開關(guān)應力小及短路保護功能、不存在浪涌電流問題等優(yōu)點。所以，Buck型值得深入研究。近年來，隨著相關(guān)技術(shù)如軟開關(guān)技術(shù)和各種控制策略的發(fā)展，Buck型PFC拓撲也取得了長足發(fā)展。本文的目的就在于追蹤這種發(fā)展。

??? 通常，判斷一個功率因數(shù)校正拓撲的優(yōu)劣，有以下5個要求：1)高功率因數(shù)；2)輸入電流波形畸變??；3)快速的輸出電壓調(diào)節(jié)；4)變壓器隔離；5)高效率和高功率密度。本文評價各種新拓撲和新控制策略就以此為標準。

2? 拓撲的發(fā)展

2.1? 基本拓撲和工作模式

??? Buck型三相PFC變換器的基本拓撲如圖1（a）所示(以后的拓撲都省略輸入LC濾波網(wǎng)絡)。要實現(xiàn)電感L電流連續(xù)而線電壓不短路，要求上下橋臂必須各有一開關(guān)管導通，而且只能各有一個導通。所有PWM策略，基本上都是改進的“六步法”[1]，如圖1（b）所示。“六步法”就是把一個工頻周期以相電壓過零點分成六段,在每段中有2個線電壓同極性。在每段中，具有最高或最低電壓的相一直導通，而調(diào)節(jié)其它兩相的導通時間，以實現(xiàn)電流跟蹤電壓，即功率因數(shù)校正。

（a） 基本拓撲

(b) 六步法

圖1? 基本拓撲和六步法

2.2? 加直流側(cè)開關(guān)實現(xiàn)軟開關(guān)

??? 盡管Buck型拓撲中開關(guān)管的電壓應力相對Boost已經(jīng)降低許多，但由于在三相條件下，應力還是較高。為實現(xiàn)高頻化，需要進一步降低開關(guān)應力，所以，許多文獻開始了針對Buck型PFC拓撲的軟開關(guān)研究。圖2的策略是在直流側(cè)增加一個有源開關(guān)Qdc。Qdc在所有橋臂開關(guān)關(guān)閉之前關(guān)閉；在所有橋臂開關(guān)開通之后開通。這樣所有的橋臂開關(guān)的應力和開關(guān)損耗都集中到Qdc上，從而實現(xiàn)橋臂開關(guān)的軟開關(guān)。選擇快速開關(guān)來充當Qdc可以減小開關(guān)損耗，增加諧振網(wǎng)絡可以進一步降低Qdc的應力。

圖2? 加直流側(cè)開關(guān)實現(xiàn)軟開關(guān)

??? 該拓撲將橋臂開關(guān)的應力集中到Qdc上，而且沒有實現(xiàn)隔離。把這一思想進一步推廣，用移相全橋變換器代替直流開關(guān)，就得到如圖3所示的拓撲[2]。由于移相全橋能降低本身開關(guān)應力，所以該拓撲的所有開關(guān)應力都很小。但其開關(guān)數(shù)目多，控制復雜，功率密度不高，而且存在移相全橋的固有問題——占空比丟失，將造成輸入電流波形畸變和輸出電壓紋波。

圖3? Buck＋移相全橋?qū)崿F(xiàn)軟開關(guān)

2.3? 增加諧振網(wǎng)絡實現(xiàn)軟開關(guān)

??? 文獻[3]中提出的軟開關(guān)策略如圖4所示。其原理是，當主開關(guān)準備改變狀態(tài)時，相應的輔助開關(guān)開通，這樣主電流轉(zhuǎn)移到輔助網(wǎng)絡，造成零電流開通、關(guān)斷條件。

圖4? 輔助網(wǎng)絡實現(xiàn)軟開關(guān)（1）

??? 該拓撲盡管能實現(xiàn)主開關(guān)和輔助開關(guān)的零電流開關(guān)條件，但顯然開關(guān)數(shù)目多，輔助元器件多，電路復雜，控制困難，且沒有隔離，很難走向?qū)嵱没?

??? 文獻[4]提出的拓撲如圖5所示。其優(yōu)點是軟開關(guān)的實現(xiàn)與負載無關(guān)，但依然存在上述缺點。

圖5? 輔助網(wǎng)絡實現(xiàn)軟開關(guān)（2）

??? 文獻[5]提出的軟開關(guān)拓撲如圖6所示。該拓撲運用修改的PWM方案實現(xiàn)ZCS。兩個要換流的開關(guān)有一定時間的重疊，在輔助網(wǎng)絡的作用下，實現(xiàn)電流漸進交替，而降低開關(guān)應力。

圖6? 輔助網(wǎng)絡實現(xiàn)軟開關(guān)（3）

??? 上述三個運用諧振輔助網(wǎng)絡實現(xiàn)軟開關(guān)的拓撲都沒有實現(xiàn)隔離。為實現(xiàn)軟開關(guān)，必須有橋臂單向二極管的存在；但是，單向二極管的存在，使得該拓撲只能工作在第一象限，直接加變壓器隔離將造成變壓器飽和。

2.4? 運用移相原理實現(xiàn)軟開關(guān)

??? 其拓撲如圖7[6]所示?？梢钥闯觯撏負渲皇怯米儔浩鞔媪嘶就負涞臑V波電感，運用修改的PWM策略，引入移相全橋的軟開關(guān)概念，而達到軟開關(guān)目的。在每個時刻，只有兩個橋臂導通，由于開關(guān)頻率遠大于輸入電壓變換頻率，可以認為在該時刻輸入電壓不變，而引入DC/DC中的移相全橋軟開關(guān)策略。

圖7? 運用移相原理實現(xiàn)軟開關(guān)

??? 由于該策略巧妙地利用變壓器漏感和開關(guān)管的寄生電容實現(xiàn)軟開關(guān)，并能充分利用MOSFET體內(nèi)的反向二極管，使得該拓撲顯得簡練，是比較理想的選擇。只是在現(xiàn)有的PWM控制策略下，還存在如下問題：1)不能實現(xiàn)所有開關(guān)全面軟開關(guān)；2)開關(guān)必須由一個N型和一個P型MOSFET串聯(lián)組成；3)存在移相全橋的固有問題。

3? 建模、仿真和控制的發(fā)展

??? 電力電子線路是非線性系統(tǒng)，三相系統(tǒng)又存在強耦合，所以，Buck型三相系統(tǒng)的建模非常困難。文獻[7]用時變電阻代替開關(guān)器件對三相Boost整流器進行建模、仿真，該方法很容易運用到Buck電路中。目前也有運用坐標變換而得到三相解耦模型。文獻[8]中給出了三相Buck型小信號模型，為進行變換器前后級濾波器設計和穩(wěn)定性分析奠定了基礎，文獻[9]在此基礎上分析了三相不平衡輸入的工作情況。文獻[2]給出了圖3中的大信號模型，從根本上分析了由于占空比丟失而造成的輸入電流波形畸變和輸出電壓紋波，并提出了改進的控制策略。

??? 仿真一般有兩種選擇，即運用現(xiàn)有軟件和自己編程。運用現(xiàn)有軟件一般存在2個問題，一是由于大量開關(guān)的存在，不可能獲得足夠長時間的仿真結(jié)果；二是收斂問題。針對這些問題有的學者提出了Matlab和Pspice相結(jié)合的仿真方法，該方法對仿真三相整流器應該有所幫助。由于Buck拓撲的實時PWM控制信號的產(chǎn)生要經(jīng)過坐標變換或空間矢量計算，這些很難在仿真軟件實現(xiàn)，而自己編寫程序，可以把復雜的控制策略包含在程序中[7]。

??? 三相Buck型整流器實現(xiàn)功率因數(shù)校正的基本策略是“六步法”或空間矢量調(diào)制法。所有的新拓撲和新控制方法都是在此基礎上的修改版本，以改善某些性能或優(yōu)化某些參數(shù)。如把移相全橋的軟開關(guān)策略引入而降低開關(guān)應力。

4? 存在問題

??? 1)軟開關(guān)問題

??? 盡管前面已經(jīng)提到許多軟開關(guān)策略，但都還存在各自的不足。只有研究出一種完全滿足引言中所述5個要求的拓撲，三相Buck型拓撲才能走向高頻化，實用化。

??? 2)濾波器設計問題

??? 由于Buck型的輸入電流斷續(xù)，所以必須在前級加LC濾波網(wǎng)絡；但LC網(wǎng)絡的增加將使輸入電流和電壓產(chǎn)生相位差，而降低功率因數(shù)。因此，必須優(yōu)化設計該LC網(wǎng)絡，使它既能滿足濾波要求，又對功率因數(shù)影響不大。

??? 3)系統(tǒng)干擾問題

??? 這是所有三相整流系統(tǒng)都存在的問題，在Buck型中顯得更為突出。三相系統(tǒng)是高容量系統(tǒng)，要求輸入電阻?。坏捎谥C波標準的要求，濾波器不能任意小，這矛盾如何平衡？

??? 4)數(shù)字化實現(xiàn)問題

??? 數(shù)字電路不存在老化問題，而且比模擬電路容易實現(xiàn)，所以數(shù)字化也是變換器發(fā)展方向之一。但由于數(shù)字化存在采樣和計算時間的延遲，如何簡化計算程序并且補償延遲，將是實現(xiàn)數(shù)字控制必須解決的問題。

5? 結(jié)語

??? 三相Buck型PFC變換器日益吸引人們的注意力。前述存在問題將是推動其發(fā)展的動力，也是其發(fā)展的方向。特別是隨著三相Boost型變換器技術(shù)、軟開關(guān)技術(shù)、逆變技術(shù)的發(fā)展和日益成熟，其中的很多技術(shù)可以引入三相Buck型PFC變換器，使其逐步完善，進而實用化、產(chǎn)品化。