【導(dǎo)讀】三相功率因數(shù)校正(PFC)系統(tǒng)（或也稱(chēng)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。之前我們介紹了三相功率因數(shù)校正系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。本文為系列文章的第二部分，將主要介紹設(shè)計(jì)三相PFC時(shí)的注意事項(xiàng)。
三相功率因數(shù)校正(PFC)系統(tǒng)（或也稱(chēng)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。之前我們介紹了三相功率因數(shù)校正系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。本文為系列文章的第二部分，將主要介紹設(shè)計(jì)三相PFC時(shí)的注意事項(xiàng)。
在設(shè)計(jì)三相PFC時(shí)應(yīng)該考慮哪些關(guān)鍵方面？
對(duì)于三相PFC，有多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具體可根據(jù)應(yīng)用要求而定。不同的應(yīng)用在功率流方向、尺寸、效率、環(huán)境條件和成本限制等參數(shù)方面會(huì)有所不同。在實(shí)施三相PFC系統(tǒng)時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)考慮幾個(gè)注意事項(xiàng)。以下是一些尤其需要注意的事項(xiàng)：
單極還是雙極（兩電平或三電平）
調(diào)制方案
開(kāi)關(guān)頻率vs功率器件
熱管理和損耗管理
雙向傳輸和輸出方向優(yōu)化
拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
這些方面都會(huì)影響我們系統(tǒng)的結(jié)果和整體性能，因此它們對(duì)于滿足應(yīng)用的要求至關(guān)重要。在下面的討論中，我們假設(shè)輸入電壓為三相400VAC（EU）或480VAC（USA）。
單極或雙極（兩電平或三電平）
第一個(gè)關(guān)鍵決定是使用兩電平還是三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這對(duì)效率有很大影響，主要包括開(kāi)關(guān)和二極管中的開(kāi)關(guān)損耗、電感器中的高頻損耗，以及EMI。這還會(huì)極大影響拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因?yàn)椴⒎撬型負(fù)浣Y(jié)構(gòu)都支持三電平功能。
圖4和圖5顯示了二電平和三電平開(kāi)關(guān)之間的區(qū)別。
圖4.單電平或兩電平開(kāi)關(guān)原理
圖5.兩電平或三電平開(kāi)關(guān)原理
三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)包括：
1. 開(kāi)關(guān)損耗減小。通常，開(kāi)關(guān)損耗與施加到開(kāi)關(guān)和二極管的電壓的二次方成正比（開(kāi)關(guān)損耗αVSwitch or Diode2）。在三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，只有一半的總輸出電壓被施加到（一些）開(kāi)關(guān)或（一些）二極管。
2. 升壓電感器中的電流紋波變小。對(duì)于相同的電感值，施加到電感器的峰峰值電壓也是三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中總輸出電壓的一半。這使得電流紋波更小，更容易使用更小的電感器進(jìn)行濾波，從而實(shí)現(xiàn)更緊湊的電感器設(shè)計(jì)并降低成本。此外，部分電感器損耗與電流紋波成正比。因此，較低的紋波將有助于減少電感器中的損耗。
3. EMI降低。EMI主要與電流紋波有關(guān)。正如剛剛提到的，三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)減少了電流紋波，使濾波更容易并產(chǎn)生更低的傳導(dǎo)EMI。電磁輻射EMI與dV/dt和dI/dt相關(guān)。首先，三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)降低了峰峰值開(kāi)關(guān)電壓，使得開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)走線輻射的電場(chǎng)更小。其次，三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)減少了峰峰值開(kāi)關(guān)電流，使得在開(kāi)關(guān)功率級(jí)環(huán)路中輻射的磁場(chǎng)更小。
開(kāi)關(guān)頻率與開(kāi)關(guān)技術(shù)
開(kāi)關(guān)頻率對(duì)電氣設(shè)計(jì)有多方面的影響，而且也會(huì)對(duì)系統(tǒng)規(guī)格（如尺寸和重量）和額外成本（如運(yùn)輸和處理成本）產(chǎn)生影響。
提高開(kāi)關(guān)頻率，可以減小無(wú)源元件的尺寸，從而使系統(tǒng)更輕并降低成本。然而，開(kāi)關(guān)損耗隨頻率增加。新的開(kāi)關(guān)技術(shù)解決了這一難題。
就開(kāi)關(guān)技術(shù)而言，IGBT是速度較慢的器件。IGBT用于開(kāi)關(guān)頻率較低（幾十kHz）的轉(zhuǎn)換器中。與MOSFET相比，當(dāng)VCE(SAT)小于RDS(ON)×ID時(shí)，它們更適合用于非常高的電流。硅超級(jí)結(jié)MOSFET的使用頻率不超過(guò)100kHz左右。而碳化硅(SiC) MOSFET可用于100kHz以上。
關(guān)于二極管，肖特基SiC二極管與快速硅二極管也可用于三相PFC中的升壓二極管，與MOSFET互補(bǔ)，以降低開(kāi)關(guān)損耗并允許超結(jié)硅MOSFET實(shí)現(xiàn)更高的工作頻率。
肖特基SiC二極管也可以與IGBT共同封裝，以減少反向恢復(fù)損耗。這種配置（硅IGBT+SiC聯(lián)合封裝二極管）稱(chēng)為混合IGBT?；旌螴GBT在各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的半橋或背靠背配置中能以較少的開(kāi)關(guān)損耗運(yùn)行。如果開(kāi)關(guān)損耗較低，開(kāi)關(guān)頻率也可以增加，以優(yōu)化系統(tǒng)性能。
最后，還必須考慮具體的應(yīng)用要求。對(duì)于“車(chē)載充電器”，由于尺寸和重量至關(guān)重要，因此需要高頻以減小無(wú)源元件的尺寸。這將需要高頻開(kāi)關(guān)和二極管。在這種情況下，寬禁帶組件（如SiC）通常是首選。另一方面，對(duì)于“非車(chē)載充電器”，尺寸和重量并不那么重要。充電時(shí)間和成本更為關(guān)鍵。為縮短充電時(shí)間，常采用IGBT實(shí)現(xiàn)數(shù)百千瓦的充電功率。成本限制是采用更便宜的常規(guī)硅基器件解決方案的另一個(gè)原因。
調(diào)制方案
在平衡的三相系統(tǒng)中，沒(méi)有中性線電流。電壓總和始終為零，電流也是如此。我們有以下公式（其中U、V、W是三相線的名稱(chēng)）：
這意味著流過(guò)一相或兩相的電流是否會(huì)通過(guò)其他兩相或一相（分別）返回電網(wǎng)。電流分流取決于電網(wǎng)波形的相位。有十二種不同的組合或狀態(tài)（取決于U、V、W值）。這些狀態(tài)稱(chēng)為“扇區(qū)”，如圖6所示。
圖6.三相電壓和扇區(qū)
例如，在扇區(qū)1期間，電流從（U和V）流向W。在扇區(qū)4期間，電流從V流向（U和W）。調(diào)制技術(shù)將基于這些扇區(qū)，并將確定應(yīng)用于所需開(kāi)關(guān)的PWM序列。
為了驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)，還可以使用多種調(diào)制技術(shù)。最常見(jiàn)的是SVPWM。大多數(shù)情況下，采用對(duì)稱(chēng)PWM調(diào)制來(lái)減少頻譜頻率含量，也用于減少前沿或后沿PWM調(diào)制時(shí)的EMI。為了減少開(kāi)關(guān)和二極管的電壓應(yīng)力，通常（或幾乎總是）使用所謂的“三次諧波注入”來(lái)獲得空間矢量調(diào)制模式。使用的其他調(diào)制方案是平底調(diào)制或不連續(xù)調(diào)制，這主要有助于降低二極管的應(yīng)力，但會(huì)引入更高的失真和功率因數(shù)退化。
使用Clark和Park變換完成控制。Clark變換將三相電壓系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為與三相系統(tǒng)具有相同線路頻率的單相系統(tǒng)。Park變換將單相系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為具有有功和無(wú)功組件的靜態(tài)系統(tǒng)，類(lèi)似于一種解調(diào)技術(shù)。通常，輸入電壓被認(rèn)為是純正電壓，并用作相移測(cè)量的基準(zhǔn)。當(dāng)輸入電流的有功值和無(wú)功值已知時(shí)，控制系統(tǒng)的目標(biāo)是調(diào)節(jié)無(wú)功電流分量總和為0。這是任何PFC 的主要目標(biāo)。有功部分由控制器調(diào)整，以向負(fù)載提供所需的功率。
損耗管理和熱管理
損耗和效率取決于許多參數(shù)，例如開(kāi)關(guān)頻率、開(kāi)關(guān)和二極管技術(shù)、轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和無(wú)源元件。眾所周知，如果損耗減少，則效率提高并且熱管理變得更容易。
在主動(dòng)元件中，有兩種方法可以處理熱管理。對(duì)于低功率應(yīng)用，使用分立功率器件進(jìn)行設(shè)計(jì)是首選解決方案。它提供了采購(gòu)和生產(chǎn)方面的靈活性。使用分立器件的缺點(diǎn)是通常需要很多非常復(fù)雜的機(jī)械組件。借助分立式器件，可以實(shí)現(xiàn)更高功率的設(shè)計(jì)。在這種情況下，整個(gè)系統(tǒng)被分成幾個(gè)并行運(yùn)行的低功率轉(zhuǎn)換器（或模塊）。這種架構(gòu)通過(guò)將損耗分散到多個(gè)模塊來(lái)簡(jiǎn)化電源管理。
然而，在更高功率應(yīng)用的轉(zhuǎn)換器中采用功率模塊更有優(yōu)勢(shì)（將多個(gè)功率器件集成在一個(gè)封裝中）。這樣有助于熱管理和機(jī)械組裝，因?yàn)橹恍枰粋€(gè)模塊（或一小組模塊）連接到散熱片。此外，模塊還針對(duì)熱傳遞進(jìn)行了優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)極低熱阻材料。這在分立裝配中更難實(shí)現(xiàn)。模塊與分立器件相比的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是寄生或漏電布局電感。
在模塊內(nèi)部，與分立裝配相比，距離更小，這有助于減少寄生電感等損耗。較低的寄生電感還可以減少電壓尖峰，由于開(kāi)關(guān)和二極管上的應(yīng)力較低，因此可以提高可靠性。較低電壓尖峰的第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)是還可以減少高頻輻射。
雙向性和功率流方向優(yōu)化
通常，三相逆變器（用于UPS、太陽(yáng)能或電機(jī)驅(qū)動(dòng)）可以是雙向的，并且在反向模式（或UPS的充電模式或電機(jī)驅(qū)動(dòng)的制動(dòng)模式）下運(yùn)行時(shí)充當(dāng)AC/DC轉(zhuǎn)換器。不過(guò)，這里有一點(diǎn)需要強(qiáng)調(diào)。通常，功率轉(zhuǎn)換器，特別是其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，一般是通過(guò)開(kāi)關(guān)器件和二極管的選擇，專(zhuān)門(mén)針對(duì)一種用法和輸出方向進(jìn)行優(yōu)化的。在PFC模式下用作AC/DC轉(zhuǎn)換器的三相逆變器的效率不如優(yōu)化的AC/DC PFC轉(zhuǎn)換器。即使設(shè)計(jì)為雙向的DC/AC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，也會(huì)在一個(gè)方向上表現(xiàn)出比另一個(gè)方向更好的性能。因此，重要的是要記住最需要的用法是什么。
本文及其中討論的應(yīng)用側(cè)重于三相PFC轉(zhuǎn)換器，因此系統(tǒng)經(jīng)過(guò)優(yōu)化以從電網(wǎng)獲取電力（即使它們可能是雙向的）。此外，正如我們將看到的，并非所有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都可以實(shí)現(xiàn)雙向性，因此預(yù)先選擇合適的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是一個(gè)重要因素。
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