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由單相有源功率因數(shù)校正(APFC)組合成三相APFC的幾種方法

發(fā)布時間:2012-01-06

中心議題:

  • 由單相APFC組合成三相APFC的幾種方法

解決方案:

  • 由三個分別帶隔離DC/DC變換的單相PFC并聯(lián)組成
  • 由三個單相PFC在輸出端直接并聯(lián)組成
  • 兩個單相PFC組成的三相PFC電路
  • 由矩陣式DC/DC變換器構(gòu)成


功率因數(shù)校正(Power Factor CorrecTIon,簡稱PFC)技術(shù),尤其是有源功率因數(shù)校正(Active Power FactorCorrection,簡稱APFC)技術(shù)可以有效的抑制諧波,單相APFC技術(shù)的研究比較成熟,已有不少商業(yè)化的專用控制芯片,如UC3854,IRll 50,LTl508,ML4819。與單相功率因數(shù)校正整流裝置相比,三相PFC整流裝置具有許多優(yōu)點:(1)輸入功率高,功率額定值可達(dá)幾千瓦以上;(2)單相PFC整流裝置輸入功率是一個兩倍于工頻變化的量,但在三相平衡裝置中,三相輸入功率脈動部分的總和為零,輸入功率是一恒定值,三相PFC整流裝置輸出功率的脈動周期僅為單相全波整流的三分之一,脈動系數(shù)低,因此可以使用容量較小的輸出電容,從而可以實現(xiàn)更快的輸出電壓動態(tài)響應(yīng)。

三相APFC技術(shù)正成為眾多學(xué)者研究的重點,但其實現(xiàn)有一定的困難,而且還未見成熟的專用控制芯片。若能將單相APFC電路簡單整合成一個三相APFC電路,將能充分利用成熟的單相控制芯片,制作出滿足要求的三相APFC裝置。下面介紹幾種由單相APFC組合成三相APFC的方法。

1 由單相APFC組合成三相APFC的幾種方法

單相PFC組合成三相PFC的技術(shù)優(yōu)勢是:
(1)無需研究新的拓?fù)浜涂刂品绞?,可直接?yīng)用發(fā)展比較成熟的單相PFC拓?fù)洌约跋鄳?yīng)的單相PFC控制芯片和控制方法;
(2)電路由多個單相PFC同時供電,如果某一相出現(xiàn)故障,其余兩相仍能繼續(xù)向負(fù)載供電,電路具有冗余特性;
(3)由于單向模塊的使用,因此需要更少的維護(hù)和維修,而且有利于產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化;
(4)與三相PFC相比,不需要高壓器件等。

下面將對由單相PFC實現(xiàn)三相PFC的幾種方法分別進(jìn)行介紹。

1)由三個分別帶隔離DC/DC變換的單相PFC并聯(lián)組成的方法
每個單相PFC后跟隨一個隔離型DC/DC變換器,DC/DC變換器輸出端并聯(lián)起來,形成一個直流回路后向負(fù)載供電,如圖1所示。此類電路即可采用三相三線制接法,也可用三相四線制的接法,很靈活且很簡單。而且此類電路都可設(shè)計成單級形式,從而減少功率等級且動態(tài)響應(yīng)比較快。但該類電路由三個完全獨立的單相PFC及DC/DC變換器組成,由于需3個外加隔離的DC/DC變換器,因此用的器件比較多,成本較高。

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(1)單相PFC電路由全橋電路構(gòu)成
圖2電路的特點是DC/DC的開關(guān)控制比較簡單,相對于其它電路更適合于大功率場合的應(yīng)用。但是由于隔離變壓器反射電壓的影響,全橋電路相對于反激電路來說有更高的電流失真。

(2)單相PFC電路由Buck電路構(gòu)成
圖3用三個單相Buck變換器組成的三相PFC示意圖,圖3所示Buck型電路的結(jié)構(gòu)比較簡單,同全橋電路相似,由于隔離變壓器反射電壓的影響,其相對于反激電路來說也有較大的電流失真,但其諧波仍可以限定在比較低水平,達(dá)到IEC—1000的要求。另外,其可實現(xiàn)的功率等級的大小不如全橋高,但比反激式電路要大。

(3)單相PFC電路由反激電路構(gòu)成
圖4所示反激式電路有比較接近正弦的相電流,而且功率因數(shù)也更接近于單位功率因數(shù)。由于其本身的結(jié)構(gòu)特點,所以不必以增加電壓為代價即可達(dá)到隔離的作用。但相對于前兩種電路其功率不容易做大。

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(4)單相PFC電路由SEPIC電路構(gòu)成
在Boost變換中,傳統(tǒng)的隔離在此種情況下的應(yīng)用并不理想,因為在電流連續(xù)情況下,器件將產(chǎn)生高的電壓應(yīng)力,在電流斷續(xù)情況下將產(chǎn)生較大的輸入電流失真。圖5所示的電路是用隔離SEPIC電路組成的三相PFC電路,SEPIC變換器的輸入端類似于Boost電路,因此具有Boost電路的優(yōu)點,如有低的輸入電流失真和更小的EMI濾波器。在輸出端SEPIC電路像反激式變換器,從而不必以增加電壓為代價達(dá)到隔離的作用。

2)由三個單相PFC在輸出端直接并聯(lián)組成的方法
圖6是將3個單相PFC變換器在其輸出端直接并聯(lián)而成的,因此結(jié)構(gòu)相對較簡單。由于該電路是三個單相。PFC變換器在輸出端直接并聯(lián)而成的,各相之間存在較嚴(yán)重的耦合。下面給出一種其相應(yīng)的電路,如圖7所示,電路中三個單相PFC之間存在相互影響,即使加入隔離電感和隔離二極管后也不能完全消除這種影響,導(dǎo)致電路的效率和輸入電流THD指標(biāo)有所下降,所以在大功率場合很少應(yīng)用,但在中小功率場合有一定的使用價值。

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3)由兩個單相PFC組成的三相PFC電路
圖8是由兩個單相PFC組成的三相PFC電路框圖,圖9是其一種實際的應(yīng)用電路圖,工作原理是,三相輸入電壓Ua,Ub,Uc(相位相差120°)。通過帶有中心抽頭的變壓器變成兩相電壓Uab和Uck(相位相差90°),Uab和Uck。的矢量圖如圖10所示。

通過這樣的變換,就變成兩個三相單開關(guān)PFC的并聯(lián)。盡管|Uab|≠|Uck|,但采用適當(dāng)控制可以使兩個電路平分輸出電壓,這一特性能夠抵消電容中的低頻紋波,從而有效地減少電容的溫升,延長電容的壽命。因為每個電路獨立工作,所以兩個功率開關(guān)的開通和關(guān)斷互不影響。不足是不能在整個負(fù)載范圍實現(xiàn)功率因數(shù)校正等。
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4)由矩陣式DC/DC變換器構(gòu)成的方法
新穎組合式三相APFC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖如圖11所示,該電路由三個單相PFC電路組合而成,與前面所介紹的三相組合式PFC電路極其相似,不同點在于,該電路中三個單相PFC的輸出并不是直接將三個單相直流輸出電壓并聯(lián),而是通過高頻矩陣式功率變換器,使三個單相PFC直流輸出耦合成一路直流輸出。該電路的關(guān)鍵在于引入了矩陣變壓器技術(shù),充分利用了矩陣變壓器磁耦合原理。其等效電路圖如圖12所示。

三個單相PFC經(jīng)逆變后的交變電壓相位、頻率、幅值相同,通過三相矩陣高頻變壓器的耦合、變壓及隔離,輸出所需要的直流電壓。三個單相PFC獨立性比較強(qiáng),輸出之間相互電氣隔離,解決了三個單相PFC之間相互影響的圖12利用矩陣變換器實現(xiàn)的等效電路圖這一技術(shù)難題。

2 結(jié)束語

三相PFC整流電路遇到的一個很大的難題就是三相之間的耦合,上述各種方法已分別對此難題進(jìn)行了相應(yīng)的解決。每相分別加隔離DC/DC的做法雖然可以解決此問題,但其代價就是使電路所用的器件增多。隔離電感和隔離電容的加入可以對耦合加以抑制,而且在中小功率場合也有一定的實用價值。通過矩陣變換器實現(xiàn)的電路解決了這一技術(shù)難題,三個單相PFC獨立性比較強(qiáng),輸出之間相互電氣隔離。當(dāng)然代價也是使用器件相對較多。但是考慮到由單相PFC實現(xiàn)三相PFC的種種優(yōu)勢,上述各種方法還是有一定應(yīng)用前景。

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