三相功率因数校正技术研究

摘要：本文采用三相六开关Boost拓扑实现三相PFC，三相拓扑通过物理解耦，增加电路冗余。Saber仿真分析比较了滞环电流变频控制和平均电流定频控制，仿真结果证明两种控制方法均能很好地实现功率因数校正功能。
1  引  言

用电设备的功率因数为两个因子的乘积：一个是相移因子，由输入电流的基波分量和输入正弦电压之间存在相位差造成；另一个是畸变因子，它是输入电流失真度(THD)的函数。常规的整流装置，由于使用非线性器件，功率因数低，且谐波电流污染了电网，并导致用电设备之间的相互干扰。[1] 抑制电力电子装置产生谐波的方法主要有两种：一是被动方法，即采用无源滤波或有源滤波电路来旁路或滤除谐波；另一种是主动式的方法，即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，即具有功率因数校正功能。近年来功率因数校正(PFC)电路得到了很大的发展，成为电力电子学研究的重要方向之一。[2]单相功率因数校正技术目前在电路拓扑和控制方面已日趋成熟，而三相整流器的功率大，对电网的污染更大，因此，三相功率因数校正技术的研究很有必要。目前三相PFC拓扑有：单开关Boost型、单开关Buck型、六开关Boost型、六开关Buck型、单开关Buck-Boost型，本文对六开关Boost型PFC电路的工作原理、控制方式等进行研究。

2       三相升压型六开关PFC电路

PFC主电路采用六只开关管组成的三相升压型PWM整流电路如图1所示，本文中的三相PFC在物理上进行解耦，即采用三个单相PFC电路组合构成三相PFC。

图1  三相六管Boost型PFC电路                   图2  A相等效电路

单相PFC组合成三相PFC的技术优势是：可以利用比较成熟的单相PFC技术，而且电路由3个单相PFC同时供电，如果某一相出现故障，其余两相仍能继续向负载供电，电路具有冗余特性。为了说明三相六管Boost型PFC电路的工作原理，给出其A相等效电路，如图2所示，电路为半桥Boost结构，若电感电流为正，即输入电压为正半周，则当下桥臂San导通时，相电压加上电容C2的电压对电感充电，输入电流上升；当上桥臂Sap导通时，电感电流通过二极管D1续流，电容C1上的电压和输入电压的差值使电感电流下降；若电感电流为负，即输入电压为负半周时，则当上桥臂Sap导通时，相电压绝对值加上电容C1的电压对电感充电，输入电流上升；当下桥臂San导通时，电感电流通过二极管D2续流，电容C2上的电压和输入电压的差值使电感电流下降；通过对San和Sap的适当控制，可以控制输入电流按给定的参考电流变化，从而实现功率因数校正。B相和C相的工作原理和A相类似。由于三相通过物理解耦，各相电流同时独立控制，可实现较理想的控制性能。该结构的优点是在任意时刻，每相只有一个器件导通，导通损耗低；控制上相互独立，相间干扰小，有利于提高系统性能和可靠性。

3  控制方式[!--empirenews.page--]

功率因数校正的基本思想是控制整流器的输入电流跟踪输入正弦电压。其控制方式可分为直接电流控制和间接电流控制。间接电流控制指控制输入电感端电压的幅值和相位，这个正弦电压使得电感电流与输入电压同相，因此称为幅值相位控制。其控制电路简单，但其稳定性差以及存在直流偏移等缺点。目前用得最多的是直接电流控制，用输入电流与参考电流比较，再用输出的电流误差控制开关动作。直接电流型控制分为：①峰值电流控制，次谐波振荡问题在功率因数校正上更为严重，用得较少。②滞环电流控制，电流波形为纯正弦，属变频控制。③平均电流控制，实现简单，属定频控制。本文将滞环电流控制和平均电流控制运用于三相PFC，进行saber仿真研究。

3.1  滞环电流控制

3.11 滞环电流控制的实现原理

滞环电流控制的工作原理如图3所示，当输入电感采样电流与电流基准相比较得到的电流误差信号ie 大于正环宽+h时，滞环比较器输出低电平，控制开关管使电感电流下降；而当ie低于负环宽-h时，滞环比较器输出高电平，控制相应的开关管使电感电流上升，这样总保持ie在正负环宽（h）内。

图3   滞环电流控制原理图

3.12 滞环电流控制仿真

采用滞环电流变频控制，输入电压：220V；输入电感：8mH；输出电容：2400uH；输入电压频率：50Hz；输出电压：750V；输出功率：3kW。仿真波形如图4.1到4.3。其中图4.1中输出电压稳在750V，三相输入电感采样电流互差120°；图4.2中为A相输入电感电流与输入电压同频同相的波形，实现PFC功能；图4.3为A相上下桥臂管子sap和san的驱动波形，可以看出滞环电流控制为变频控制。滞环电流控制系统中功率管的开关频率与滞环宽度、输入电感、输入电压以及输出电压等均有关系，所以滞环电流控制系统的滞环宽度和输入电感大小应根据输入和输出电压的要求以及满足滞环控制原理的要求来进行设计，要保证滞环输出的最高开关频率低于开关管IGBT的极限频率。

      图4.1  输出电压（上）和三相输入电感电流波形（下）

           图4.2  A相输入电压和输入电感电流波形

           图4.3  开关管sap (上)和san(下)的驱动波形 [!--empirenews.page--]     

3.2       平均电流控制

3.21 平均电流控制的实现原理

平均电流控制的工作原理如图5.1所示，其控制电路构成两个控制环，电压环是外环，采样输出电压，保持输出电压恒定；电流环是内环，采样电感电流，迫使电感电流跟踪电流给定，减小输入电流谐波，图5.2是平均电流控制的输入电流波形。平均电流控制的工作原理为：主电路的输出电压Vo和给定参考电压Vo*送入电压误差放大器，放大器的输出为Vvo，电压误差放大器采用PI调节器，将与输入电压的检测值Vin同频同相的电流基准和电压误差放大器的输出信号Vvo共同加到乘法器MUL的输入端，而乘法器的输出作为电流给定值iL*，因此给定电流参考波形是与交流电网电压同频同相的正弦波，而电流参考的幅值则取决于电压误差放大器的输出Vvo。将电流参考信号iL*与电感电流iL的检测值一起送入电流误差放大器，电流误差放大器的输出与锯齿波比较产生开关管的PWM驱动信号，经功率放大后驱动开关管工作。驱动信号控制开关管的通、断，使iL跟踪给定值iL*，而且输入电流即电感电流的波形与交流电网电压波形同相，电网电流中的谐波大为减少，输入功率因数接近于1，同时功率因数校正器中的电压外环反馈控制又能保证输出电压Vo恒定。

图5.1  平均电流控制的工作原理方框图        

                        图5.2  平均电流控制的输入电感电流

3.22 平均电流控制仿真

采用平均电流定频控制，输入电压：220V；输入电感：8mH；输出电容：2400uH；输入电压频率：50Hz；三角波交截频率：20kHz。输出电压：750V；输出功率：3kW。仿真波形如图6.1到6.3。其中图6.1中输出电压稳在750V，三相输入电感采样电流互差120°；图6.2中为A相输入电感电流与输入电压同频同相的波形，实现PFC功能；图6.3为A相上下桥臂管子sap和san的驱动波形，可以看出平均电流控制为定频控制，开关管的开关频率为50us。由于是恒频线性控制，可以使主电路和控制电路的参数设计简单方便，特别是电容、电感等与频率选择有关的参数设计。

图6.1  输出电压（下）和三相输入电感电流波形（上）

图6.2  A相输入电压和输入电感电流波形 

图6.3  开关管sap (上)和san(下)的驱动波形

4  结  论

本文对三相升压型六开关PFC电路的滞环电流控制和平均电流控制两种方式用saber仿真进行了详细地分析比较，滞环电流控制是一种典型的非线性变频电流型PWM调制技术，相比SPWM控制可以提高效率。而平均电流控制属于恒频线性控制，主电路和控制电路的参数设计简单方便，且SPWM控制的谐波频谱固定，能有效地消除低次谐波。由仿真波形可知两种控制系统都能保证输入电感电流与输入电压同频同相，较好地实现PFC功能。