Buck型三相功率因數校正技術的發展

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

關鍵詞：功率因數校正；軟開關；三相整流器；Buck型變換器

1? 引言

??? 隨著電力質量標準的日益嚴格，PFC技術已成為電力電子領域中的研究熱點。由于單相PFC技術已經實用化、產品化，于是許多學者將研究重點放在了三相PFC技術上（盡管不可控整流功率因數校正的研究已經取得了一定進展，但還是很難滿足質量標準，故本文只針對全控型）。提到三相PFC技術，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時，則Buck型是一個比較好的選擇。另外，Buck型還具有開關應力小及短路保護功能、不存在浪涌電流問題等優點。所以，Buck型值得深入研究。近年來，隨著相關技術如軟開關技術和各種控制策略的發展，Buck型PFC拓撲也取得了長足發展。本文的目的就在于追蹤這種發展。

??? 通常，判斷一個功率因數校正拓撲的優劣，有以下5個要求：1)高功率因數；2)輸入電流波形畸變小；3)快速的輸出電壓調節；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濾波網絡)。要實現電感L電流連續而線電壓不短路，要求上下橋臂必須各有一開關管導通，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，而調節其它兩相的導通時間，以實現電流跟蹤電壓，即功率因數校正。

（a） 基本拓撲

(b) 六步法

圖1? 基本拓撲和六步法

2.2? 加直流側開關實現軟開關

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

圖2? 加直流側開關實現軟開關

??? 該拓撲將橋臂開關的應力集中到Qdc上，而且沒有實現隔離。把這一思想進一步推廣，用移相全橋變換器代替直流開關，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應力，所以該拓撲的所有開關應力都很小。但其開關數目多，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＋移相全橋實現軟開關

2.3? 增加諧振網絡實現軟開關

??? 文獻[3]中提出的軟開關策略如圖4所示。其原理是，當主開關準備改變狀態時，相應的輔助開關開通，這樣主電流轉移到輔助網絡，造成零電流開通、關斷條件。

圖4? 輔助網絡實現軟開關（1）

??? 該拓撲盡管能實現主開關和輔助開關的零電流開關條件，但顯然開關數目多，輔助元器件多，電路復雜，控制困難，且沒有隔離，很難走向實用化。

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

圖5? 輔助網絡實現軟開關（2）

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

圖6? 輔助網絡實現軟開關（3）

??? 上述三個運用諧振輔助網絡實現軟開關的拓撲都沒有實現隔離。為實現軟開關，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? 運用移相原理實現軟開關

??? 其拓撲如圖7[6]所示。可以看出，該拓撲只是用變壓器代替了基本拓撲的濾波電感，運用修改的PWM策略，引入移相全橋的軟開關概念，而達到軟開關目的。在每個時刻，只有兩個橋臂導通，由于開關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策略。

圖7? 運用移相原理實現軟開關

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

3? 建模、仿真和控制的發展

??? 電力電子線路是非線性系統，三相系統又存在強耦合，所以，Buck型三相系統的建模非常困難。文獻[7]用時變電阻代替開關器件對三相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，即運用現有軟件和自己編程。運用現有軟件一般存在2個問題，一是由于大量開關的存在，不可能獲得足夠長時間的仿真結果；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控制信號的產生要經過坐標變換或空間矢量計算，這些很難在仿真軟件實現，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型整流器實現功率因數校正的基本策略是“六步法”或空間矢量調制法。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化某些參數。如把移相全橋的軟開關策略引入而降低開關應力。

4? 存在問題

??? 1)軟開關問題

??? 盡管前面已經提到許多軟開關策略，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，所以必須在前級加LC濾波網絡；但LC網絡的增加將使輸入電流和電壓產生相位差，而降低功率因數。因此，必須優化設計該LC網絡，使它既能滿足濾波要求，又對功率因數影響不大。

??? 3)系統干擾問題

??? 這是所有三相整流系統都存在的問題，在Buck型中顯得更為突出。三相系統是高容量系統，要求輸入電阻小；但由于諧波標準的要求，濾波器不能任意小，這矛盾如何平衡？

??? 4)數字化實現問題

??? 數字電路不存在老化問題，而且比模擬電路容易實現，所以數字化也是變換器發展方向之一。但由于數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，將是實現數字控制必須解決的問題。

5? 結語

??? 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展的動力，也是其發展的方向。特別是隨著三相Boost型變換器技術、軟開關技術、逆變技術的發展和日益成熟，其中的很多技術可以引入三相Buck型PFC變換器，使其逐步完善，進而實用化、產品化。