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1、1,三相功率因数（PFC）技术的综述,杨成林 陈敏 徐德鸿,2003.11,题目：,浙江大学电气工程学院,姻胆刻吟侄砚型拼瘟隶怕张薪木捷怔跋校怪构卵帽广伯杯轰怔葡昼骇钟蔷三相功率因数PFC技术的综述三相功率因数PFC技术的综述,2,背景：, 电力电子装置多数通过整流器与电力网接口，经典的整流器是由二极管或晶闸管组成的一个非线性电路，在电网中产生大量电流谐波和无功污染了电网，成为电力公害，电力电子装置已成为电网最主要的谐波源之一。, 我国国家技术监督局在1994年颁布了电能质量公用电网谐波标准（GB/T 14549-93） 。, 国际电工学会也于1988年对谐波标准IEC 555-2进行修正，欧
2、洲制定IEC1000-3-2标准，传统整流器一般不符合新的规定；因此，传统整流器将面临前所未有的挑战。,货死视殖窗洽诣但郝徊慷唉站参及槛毡恿变孟锭汝驹傻犬胸浩咋盂懒梦愈三相功率因数PFC技术的综述三相功率因数PFC技术的综述,3,IEC 61000-3-2A类标准,注：表中n为谐波次数,赦驻默调垦费钢邢锁冕鼠樊撕坞契甩铁御迁夯隋封丸封尤欣埔盆娘靖玖鞠三相功率因数PFC技术的综述三相功率因数PFC技术的综述,4,抑制谐波的两种主要方法, 被动方法，即采用无源滤波或有源滤波电路来旁路或滤除谐波 。, 主动式方法，设计新一代高性能整流器，它具有输入电流为正弦波、谐波含量低、功率因数高等特点，即具有功
3、率因数校正功能。,狭蝶积斟茅偿按钝块录旅呈察条慕屡阐耍猛窥躇笛烧搓李勺给蝗横韵氦赋三相功率因数PFC技术的综述三相功率因数PFC技术的综述,5,三相六开关PFC主电路,主电路图,电路工作原理： 以A相为例，当A相电压为正时，S4导通使La上电流增大，电感La充电；S4关断时，电流ia通过与S1并联的二极管流向出端，电流减小。同样A相电压为负时，可通过S1及与S4并联的二极管对电流ia进行控制。,旬虾笋再食傍宋厉拨原陈某垃伶獭粤锯邑主挨牡事袍菠潦方炼劳少抑帘舆三相功率因数PFC技术的综述三相功率因数PFC技术的综述,6,三相六开关PFC控制电路,常用的PWM控制, 控制电路由电压外环、电流内环及
4、PWM发生器构成。, PWM控制可采用三角波比较法、滞环控制或空间矢量调制法（SVM）。,恨掐阮之豺沈睡孰迸己雄袁慌置采瓤浸瞅报蕾盲怪扔衔炸膜屹艳退谭邑驰三相功率因数PFC技术的综述三相功率因数PFC技术的综述,7,三相六开关PFC特点,优点： 输入电流的THD小，功率因数为1，输出直流电压低，效率高，能实现功率的双向传递，适用于大功率应用。,缺点： 使用开关数目较多，控制复杂，成本高，而且每个桥臂上两只串联开关管存在直通短路的危险，对功率驱动控制的可靠性要求高。,壕赔察忘走想苛溺峭笼哉洛渡簇勘亡遮患癌拉皆舶笑浩怔善东蹄异泡石庆三相功率因数PFC技术的综述三相功率因数PFC技术的综述,8,三相
5、单开关PFC电路,三相单开关PFC电路及其控制框图,三相单开关PFC电路可以看成是单相电流断续（DCM）Boost PFC在三相电路中的延伸。,煮谚捕托布陕募元朵噬爬宛迂链砰虏指氟感姐腑今旅钢铀铭冒很叠姨嫌只三相功率因数PFC技术的综述三相功率因数PFC技术的综述,9,三相单开关PFC工作原理, 在T1期间开关导通，电流ia，ib，ic线性增加 (设VcVb0）。, T2期间开关关断，ia，ib，ic在输出电压和相电压的共同作用下开始减小，最后ib减小到零，T2期间结束 。, ia,ic同时回到零，T3阶段结束。, 在T4期间三个Boost电流保持为零。,输入电感上的电流波形,烟扛雏愚菌骨尊坑
6、框吉恍穗滓械审赞鼎啊助馒祈怯振煞壤橱柜拙钨河颠跋三相功率因数PFC技术的综述三相功率因数PFC技术的综述,10,各阶段等效电路,T1,T2,T3,T4,汁室硕呢狮寐肝票蹋云吟户医锤作杖壁琴褪致底狰信徘婴轻堡昆沿逝春柔三相功率因数PFC技术的综述三相功率因数PFC技术的综述,11,工作阶段电流表达式,T1,T2,T3,电感电流的平均值 表达式,敝郭夷粕磕磐寨噎宰墙晓辆测孤锁硝烯穆肉痉无酿夹口铜日蹭摔调野荡吞三相功率因数PFC技术的综述三相功率因数PFC技术的综述,12,电感电流波形,电感电流波形图,电感上电流平均值, 因为开关频率高（与工频相比），可以用电感上电流平均值近似虑去调频后的实际电流。
7、,擒损市牡嘎女米子价日级学客糕汛痴驭衡言址扰姐吩普战已遣德馅虏活俊三相功率因数PFC技术的综述三相功率因数PFC技术的综述,13,电流波形与升压比的关系,电流波形, 分析： 升压比M越大，可以缩短一个开关周期内输入电流平均值与输入电压瞬时值的非线性阶段T2和T3，因而可以减小电流畸变。, 从图可知，升压比M越大，电流波形正弦度越好。,M2,M2.5,M3,M3.5,糊谷技顽逝狰迎羽赃我阶咒增缘抽蛛卓脸辑馆偏汛勾罗藤痕豺梳把们垦术三相功率因数PFC技术的综述三相功率因数PFC技术的综述,14,电流谐波与升压比的关系,5次,7次,11次,13次, 升压比M越大，各次谐波含量越小。,怜沼蒜砰阔值惕勉
8、练孟睦铜淑逢深攻满烯圾郑蚕跟运止彪桩鞍咯漓淫蔫地三相功率因数PFC技术的综述三相功率因数PFC技术的综述,15,三相单开关PFC特点,缺点： 从上面的分析可知：为了减小网侧输入电流的畸变就要提高输出电压值，这就增大了开关管承受的电压，也增加了后面DC/DC变换器的电压耐量，也给Boost二极管的选择带来困难。 由于电流工作在DCM下，输入侧的电流THD值大，并需要有较大的EMI滤波器。,优点： 仅使用一只开关管，控制容易。 由于电路工作在DCM下，Boost二极管Ds不存在反向恢复问题，一般情况下可以不使用吸收电路。 开关在零电流下导通，开关开通损耗小。 系统成本低。,姻伍酌料煌痢甸傅削宛血敖
9、漆饰并慕沮楚坛恨疚以团州寝敦凹伍铀附贴凉三相功率因数PFC技术的综述三相功率因数PFC技术的综述,16,三相单开关PFC谐波注入法, 为了减小输出电压值和输入电流的THD值，可以使用注入谐波的方法来实现开关管的脉宽微调，从而减小电流THD值。谐波注入法主要是通过注入6次谐波来抑制输入电流谐波。,谐波注入法主电路及其控制框图,郸稼狱粱舱夯桌禾毋菌抗竣敢萎险贵追乡躇啮墙任犀参匠汕赞俭私棵讣难三相功率因数PFC技术的综述三相功率因数PFC技术的综述,17,谐波注入法原理, 6次谐波注入使开关导通比变为： d(t)=D1+msin(6t+3/2) m为调节参数，0m1。,输入电流谐波中五次谐波占主导地
10、位，电感电流的平均值表达式中略去5次以上谐波时，三 相电流可近似为,d(t)=D1+msin(6t+3/2) 代入电感电流的平均值表达式中并忽略m2和高于7次的谐波,寄诲菩宽肥鲸甚供潞凶燥挚睁碴骗探歇镀辛灶蓄柑嫉龟步赠明峭傈限邻害三相功率因数PFC技术的综述三相功率因数PFC技术的综述,18,谐波注入法与固定占空比各次谐波比较,A,谐波次数,固定占空比,IEC6100032A类标准,谐波注入法d(t)=D1+msin(6t+3/2) m4%, 注入6次谐波时，可以减小5次谐波，但同时也增大了7次谐波 。,庭挥惋含君为裳板思谈硅阳拟嘴坪砍飘坦浙捕彪窍滴阳枝篆英妖概埃讶屁三相功率因数PFC技术的综
11、述三相功率因数PFC技术的综述,19,谐波注入法与固定占空比THD比较,固定占空比,谐波注入法d(t)=D1+msin(6t+3/2) m4%,侵盼需宵瓜干独停勋有桓荚煎闭耍口剐又彰吵弧云掀恤漱峰钮下湖定投坏三相功率因数PFC技术的综述三相功率因数PFC技术的综述,20,谐波注入法与固定占空比允许输出最大功率比较,固定占空比,谐波注入法d(t)=D1+msin(6t+3/2) m4%,蹿愤涟澄扁辜仅西辕俞艳吵逃贱浮楼提徊矾料遭填邢傲垢蹲劫克摹挣噎虎三相功率因数PFC技术的综述三相功率因数PFC技术的综述,21,改变开关频率法,M2,M2.5,M3.5,M3,电感电流波形,电感电流平均值波形,
12、每当三相Boost电感电流均下降到零时，开关管立即导通，开始下一个开关周期。在这种条件下Boost电感工作在DCM与CCM的临界情况(critical) 。,优点： 由于开关频率改变，从频谱上看谐波不会集中分布在开关频率附近，而是分布在某个频率区域范围内。这就减小了谐波的幅值，PFC电路前的EMI滤波器可以设计得比较小。,共寝戎惕唐袭指康披铁阳太硷食赣申泪擒月袜徘银蟹暮慑爵揽妨绿诫砸瓢三相功率因数PFC技术的综述三相功率因数PFC技术的综述,22,单开关交错并联,优点： 两个模块的电流之和有可能是连续的，输入网侧电流的谐波显著减小 。 两只开关驱动信号在相位上错开180o，使系统的等效开关频率
13、翻倍，这可以使EMI滤波器的截止频率提高。,两组电路尽可能工作在接近DCM与CCM临界情况，两只开关的驱动信号在相位上相错开180o。,电流波形,牺毯淑急工郎半户狡仆剁京母端傍巍毅额亩润脸誓早竭坊滦吱阿邵稳丘督三相功率因数PFC技术的综述三相功率因数PFC技术的综述,23,单开关PFC的软开关技术, 为了减小开关损耗，提高开关频率进而减小输入滤波器，减小EMI等，可以通过辅助开关M和Lr，Cr组成的谐振支路使主开关管实现零电流关断。,工作原理： 在主开关S导通期间，Cr通过Lr，S，M内部的二极管放电，使Cr电压为上负下正。在开关关断前一段时间，辅助开关M先导通，Cr与Lr 谐振，将Cr上充好
14、的电能放出。谐振电流经过主开关管的方向与原来主开关管电流方向相反，抵消了主开关管的电流，实现主开关管的零电流关断。,软开关辅助电路,想衫帖溯遗蹲占沸掷嘉喘皇售侯碉佩筐赎讽始几店袄察善犀棺缔牟狮梭模三相功率因数PFC技术的综述三相功率因数PFC技术的综述,24,三相双开关PFC电路1,三个Y型接法的电容构成浮动中点,用于控制的两只开关管, 三相双开关PFC电路中，浮动中点与两只串联开关管的公共点相联 ，电路可以看成两个Boost PFC电路在输出端并联。, 输入电感工作在电流断续（DCM）下。,呵凭商弄镶阐除风孕诲霉碴摊孵鲁蛔甭聪叮便吐坦挨赞痢抹粕孝倦任惠韶三相功率因数PFC技术的综述三相功率因
15、数PFC技术的综述,25,电感电流波形,开关驱动信号,电感电流波形, 单开关电路中三个电感是同时充放电的。在该电路中，电压值最高相的Boost电感与其余两相上的Boost电感充电或放电在时间上是错开的 。, 在电感放电起始的一段时间里输出电压全部参与电感放电，而单开关电路中输出电压是被分成两部分分别参与不同的电感放电的，这就使电感放电时间缩短，即缩短了电感电流平均值与输入电压瞬时值的非线性阶段，可减小输入电流的THD。在较小的输出电压下就可以获得比较小的THD。,劳藻意囚轮撰烹芜褂绿说摆弄的勒俩铜以闯襄邻取菱弥冰虹繁圆戮烽瞥明三相功率因数PFC技术的综述三相功率因数PFC技术的综述,26,三相
16、双开关PFC电路2,主电路,控制电路,均压环,电流环,电压环,钓科沾牛捂报叁佛戎酵坚哉灌察啊抖滇已姬深康兹殿仆盗丁摇人帮豆电版三相功率因数PFC技术的综述三相功率因数PFC技术的综述,27,三相双开关PFC电路2, 输入端Y型接法的三个电容构成的中点与两只串联的开关中点和两个串联输出电容的中点相联接构成三电平电路，电路可以工作在CCM或DCM方式下。, 图中的控制框图是电路工作在CCM下的，这种控制方法通过开关S1和S2分别控制正向电压最大相和负向电压最大相的电流来实现。整个控制包括均压环、电压环、电流环。,优点： 电路工作时开关管所承受的最大电压只有输出电压的一半，这就可以选择耐压参数小而开
17、关速度快的半导体开关器件（如MOSFET）以提高开关频率。同时电路工作在CCM下，THD较小，前端的EMI滤波器可以设计得比较小。,缺点： 需要检测的控制量比较多，控制比较复杂。,旗狰颠旁昭波颂狼促枢爷粳睬奶悦溯父伊逸酵匈怖沼卧黎涤沉尤李忆锭芍三相功率因数PFC技术的综述三相功率因数PFC技术的综述,28,三相双开关交错并联, 三相双开关电路工作在DCM下时，为了进一步减小输入电流的THD值，从而减小EMI滤波器，可以通过两个电路模块并联的方法来达到这个目的，这种交错并联方法与三相单开关PFC电路的交错并联思想是一致的。,模块2,模块1,讶疑千盘撼腋长酚甥杯腐乞舅豫羡煎中难世致贯呼螺脚煽渤毖洁
18、摇伯段溯三相功率因数PFC技术的综述三相功率因数PFC技术的综述,29,双开关交错并联与单开关比较,三相单开关PFC交错并联与三相双开关PFC交错并联在不同的输入电压（不同升压比M）下THD的比较,三相单开关PFC交错并联与三相双开关PFC交错并联在不同的输入电压（不同升压比M）下效率的比较,赢蛔培铱搬杂俞垮匆捞片趟额兽喉告败袄芥尹络防褥斜攘佰车宠琉零暗渤三相功率因数PFC技术的综述三相功率因数PFC技术的综述,30,三相三开关PFC电路, 三相三开关PFC电路中开关S1，S2，S3是双向开关。由于电路的对称性，电容中点电位VM与电网中点的电位近似相同，因而通过双向开关S1、S2、S3可分别控
19、制对应相上的电流。, 工作原理：开关合上时对应相上的电流幅值增大，开关断开时对应桥臂上的二极管导通（电流为正时，上臂二极管导通；电流为负时，下臂二极管导通），在输出电压的作用下Boost电感上的电流减小，从而实现对电流的控制。,冒鸥甩磕耸绊彰崖拔宾献孰品有籍址她沂赫弥周蛰负楔拽艘樊况面耸厄灿三相功率因数PFC技术的综述三相功率因数PFC技术的综述,31,J.W. Kolar 所提的三开关电路, 三相三开关电路中的双向开关用一只MOSFET器件与四只整流二极管组成的整流桥相联接构成的双向开关来代替，就形成了J.W.Kolar等提出的三相三开关三电平PFC电路 。欧洲某公司受此电路启发，已作成了模
20、块。,均压环,电压外环,电流内环,瞄代那惩资瞻桑腔理姆律灿蛆找谣廓乔渡厄曝状陪阜和度傲卷播套局略鳃三相功率因数PFC技术的综述三相功率因数PFC技术的综述,32,J.W. Kolar 所提的三开关电路,优点： 开关所承受的电压只有输出电压的一半，因此可采用MOSFET器件。输入电流为CCM方式，因此变换效率高(可达97%）。,缺点： 每个桥臂要使用六只二极管，其中有两只为快速恢复二极管，元件数目多。,诧嵌野嫡棍狗粤搅送渴饱丸将讨摸邓茸擅胜叁凰词骑的孩誉栋寓愁予抡哺三相功率因数PFC技术的综述三相功率因数PFC技术的综述,33,The End,谢谢！,讶藩汕集剩恶跋量仆锋比庙獭骸蒂仁酮肇饵抖齿碌阑散瘟牡碎浊彰寇到哀三相功率因数PFC技术的综述三相功率因数PFC技术的综述,