降壓型功率因數(shù)校正電路拓撲結(jié)構(gòu)綜述

賈 強，亓迎川，王 棟，賀根華

(空軍預(yù)警學院，湖北 武漢 430019)

0 引 言

近幾年來，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，各行業(yè)對電能的需求量日益增加，電力整流裝置也越來越成為研究的熱點[1,2]。以二極管構(gòu)成的全波整流橋為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的整流裝置將會產(chǎn)生大量的諧波和無功功率注入電網(wǎng)，對電網(wǎng)造成嚴重的污染，因此功率因數(shù)校正技術(shù)的研究迫在眉睫[3]。

根據(jù)電力電子變換器的基本結(jié)構(gòu)，可以將APFC電路主要分為Buck、Boost和Buck-Boost三類[4,5]。升壓型(Boost)PFC的輸出電壓較高，對后級DC-DC或AC-DC變換的開關(guān)管電壓應(yīng)力較大，不利于后級電路設(shè)計[6,7]。降壓-升壓型(Buck-Boost)PFC雖然輸出電壓可以調(diào)節(jié)，使用靈活，且開關(guān)應(yīng)力較小，但其控制電路復雜、效率較低[8]。降壓型(Buck)PFC電路器件電壓應(yīng)力較低，降壓輸出，對后級管子的電壓應(yīng)力需求較小，且其輸出效率較高，對輸入、輸出電流具有較強的控制性能，尤其適用于大功率場合。

因此，隨著各種先進控制技術(shù)的提出，Buck PFC越來越成為國內(nèi)外PFC電路的研究重點，本文重點從Buck變換器的基本原理出發(fā)，分析、總結(jié)了國內(nèi)外單、三相Buck PFC電路拓撲結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點，重點介紹了三相Buck PFC電路，并分析了PFC技術(shù)的發(fā)展方向，為進一步研究PFC技術(shù)提供參考。

1 降壓型單相PFC拓撲結(jié)構(gòu)的研究動態(tài)

Buck PFC電路較Boost PFC電路雖然有顯著的優(yōu)勢，但是也存在著比較明顯的缺點，由于其結(jié)構(gòu)的限制，只能工作在輸入電壓高于輸出電壓時，因此其輸入電流存在一定的固有死區(qū)，降低了功率因數(shù)，也增加了輸入電流諧波。針對這一問題，國內(nèi)外提出了許多改進的拓撲結(jié)構(gòu)，但這些拓撲大多是在Buck變換器基本結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進行改進優(yōu)化。

文獻[9,10]提出了一種加入諧振濾波器的新型Buck PFC電路，如圖1(a)所示，該電路在輸入端加入高頻LC濾波電路，在輸出端加入由L3C3構(gòu)成的諧振濾波器，該電路解決了Buck電路中輸入電壓低于輸出電壓時輸入電流波形的畸變問題，消除了輸出電壓紋波，提高了功率因數(shù)，但該電路中的諧振濾波參數(shù)較難設(shè)計，且輸入電流的諧波含量還較高。文獻[11]提出了一種新型的三電平單相Buck PFC電路，如圖1(b)所示，該電路解決了輸入電流不連續(xù)的問題，且開關(guān)器件承受的電壓應(yīng)力較低，但該電路開關(guān)管較多，損耗較大，效率較低。

將Buck電路作為前級與其他電路拓撲結(jié)合進行整流是目前國內(nèi)外研究的熱點，即混合式Buck PFC電路，這種電路在一定程度上克服了Buck PFC自身的缺點，電路性能較好。其主要的結(jié)合方式有Buck-Flyback[12,13]、Buck-Boost[14]這兩種，但是普遍具有控制驅(qū)動難度大、導通損耗較大、諧波含量較高等缺點。

2 降壓型三相PFC的研究動態(tài)

大功率電源設(shè)備一般都需要用三相交流電進行供電，三相降壓型PFC電路由于其具有較低的器件電壓應(yīng)力和降壓輸出而更適合于高壓大功率場合。目前三相降壓型PFC也越來越成為國內(nèi)外研究的熱點，由此也衍生出來許多三相降壓型PFC電路拓撲。根據(jù)電路的基本工作原理，可將其大致分為直接型三相PFC電路、單相單體組合型三相PFC電路和諧波電流注入型三相PFC電路三大類，下面分別對其進行分析。

圖1 兩種典型的單相Buck PFC電路

2.1 直接型三相PFC電路

直接型三相PFC電路如三相單開關(guān)Buck PFC電路、三相多開關(guān)Buck PFC電路、三相六開關(guān)電流型PWM整流器及其衍生結(jié)構(gòu)。

單開關(guān)三相Buck PFC電路其拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示[15]。該電路是在三相全橋不控整流橋后接入了一級Buck變換器降壓結(jié)構(gòu)，通過控制開關(guān)管VT便可實現(xiàn)降壓PFC功能，控制電路較簡單。但該電路功率因數(shù)較低，且輸入電流諧波含量較高，目前大多是對其進行改進使用。

圖2 單開關(guān)三相Buck PFC電路

三相多開關(guān)Buck PFC電路一般根據(jù)開關(guān)管的數(shù)量將其分為三相三開關(guān)Buck PFC電路[16,17]、三相五開關(guān)Buck PFC電路[16]、三相八開關(guān)Buck PFC電路[18]。其拓撲結(jié)構(gòu)如圖3所示。三相三開關(guān)Buck PFC電路是在三相每一路都加入一個開關(guān)管，使開關(guān)管和輸出濾波器分別構(gòu)成一個Buck PFC結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)整流降壓和功率因數(shù)校正功能，該電路結(jié)構(gòu)簡單，效率較高，但其在控制時三個開關(guān)管需要協(xié)調(diào)控制，難度較大。三相五開關(guān)Buck PFC電路是將三相三開關(guān)電路和三相單開關(guān)電路相結(jié)合，該電路功率因數(shù)高，諧波含量也較低，但該電路在工作時高頻功率器件較多，損耗較大。三相八開關(guān)Buck PFC電路是在三相電流型PWM整流器的基礎(chǔ)上進行改進，該電路工作時三組橋臂開關(guān)管VT1～VT6工作在低頻狀態(tài)，開關(guān)管VT+～VT-工作在高頻狀態(tài)，電路開關(guān)損耗較低，整體工作效率較高，但該電路工作狀態(tài)較復雜，每個區(qū)間有幾十種工作狀態(tài)，控制策略的選取難度較大。以上電路均可以將直流輸出電感分成兩部分，處于上下橋臂上，這樣可以降低電路的輸出噪聲，使輸出電壓更加平滑。

圖3 三相多開關(guān)Buck PFC電路

三相六開關(guān)電流型PWM整流器的拓撲結(jié)構(gòu)如圖4所示，該電路分別在整流橋的橋臂上加入三組可控開關(guān)管和二極管串聯(lián)，這樣可以提高橋臂的反向阻斷能力。該電路可向負載提供恒定的直流電流，其輸出電壓可調(diào)且低于電源的輸入電壓，能實現(xiàn)降壓功能，且功率因數(shù)較高。但是該電路三相輸入是耦合的，在選取控制策略時一般先進行坐標變換，控制過程計算量較大，且共存在六個高頻開關(guān)管，控制和驅(qū)動都較復雜[19,20]。文獻[21]在三相六開關(guān)電流型PWM整流器的基礎(chǔ)上，提出了一種交錯型降壓整流器，如圖5所示。該電路能較好地消除交流側(cè)電流諧波，減少直流側(cè)電壓紋波，并且可靠性、穩(wěn)定性都較高，但該電路中功率開關(guān)器件較多，開關(guān)損耗較嚴重，效率較低。

2.2 單相單體組合型三相PFC電路

由于三相交流電源是一個互相耦合的系統(tǒng)，無法直接將單相Buck PFC電路組合三相電路，不過可以先對三相去耦合之后再將其組合為三相?；谶@樣一個思路，近幾年相繼提出了有些單相單體組合型三相Buck PFC電路。

圖4 三相六開關(guān)電流型PWM整流器

圖5 交錯型三相六開關(guān)電流型PWM整流器

文獻[22,23]通Sscott變壓器解耦電路，如圖6所示。該電路將三相交流電源進行解耦后，將其變成了互差90°的兩相輸出，之后將兩相作為整流橋的輸入，通過控制開關(guān)管VT1、VT2實現(xiàn)三相PFC。Scott變壓器雖然是工頻變壓器，但其設(shè)計過程較復雜，成本較高，并且該類變壓器體積較大，使用不方便，因此這類電路并沒有得到廣泛的推廣。

圖6 Scoff變換器構(gòu)成的降壓三相PFC電路

2.3 諧波電流注入型三相PFC電路

對于Buck PFC電路，其自身最大的缺點是存在電流死區(qū)，使電路在任意時刻只有兩相有電流流過，這也是造成功率因數(shù)低、諧波含量高的最主要原因。因此可以考慮在三相Buck PFC電路中加入一個額外的電流注入通路，讓其產(chǎn)生的諧波電流注入斷續(xù)的那一相，抵消電流死區(qū)，使輸入電流趨于正弦化，從而達到了提高功率因數(shù)和減小電流諧波的目的。對于整流電路而言，諧波電流的獲取主要有兩個途徑，即外部提供和線路內(nèi)部自身提供。前者較直觀但復雜度和成本高，一般都采用后者，即改善電路的結(jié)構(gòu)，將電路自身產(chǎn)生的諧波回饋注入輸入電流[24]。電路自身產(chǎn)生諧波的方式主要有三種，分別是變壓器注入型[25]、諧振注入型[26]和雙向開關(guān)注入型[27,28]。

變壓器注入型的典型電路最早是由A.Ametani在三次諧波注入抑制諧波法的基礎(chǔ)上提出，這種方法使用的工頻變壓器一般都較為笨重，體積、質(zhì)量都較大，不方便使用，并且變壓器消耗的功率較大，約占總功率的48%。諧振注入型電路是在電路中加入了額外的諧振網(wǎng)絡(luò)，將諧振網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的諧波電流注入輸入電流，這種方式一般是將諧波電流平均分配到三相，雖然能降低諧波含量，但諧波網(wǎng)絡(luò)消耗功率較大，約占電路總功率的48%，使電路整體工作效率較低。雙向開關(guān)注入型電路主要是在電路中加入三組背靠背的MOSFET或IGBT，研究發(fā)現(xiàn)，該類注入方式消耗的功率僅為總功率的5.8%，可忽略不計，并且這種方式對改善電路整體的性能有一定的貢獻，在提高功率因數(shù)、降低諧波含量的同時，能夠降低輸出電壓的諧波含量。因此，雙向注入型結(jié)構(gòu)是目前研究的熱點和重點。

比較典型的雙向注入型電路是由奧地利的科學家Johann W.Kolar最早提出。被稱為SWISS整流器[29,30]。其拓撲結(jié)構(gòu)如圖7所示。該電路主要由三組工作在兩倍于工頻的低頻雙向開關(guān)管VTa、VTb、VTc和工作在高頻的開關(guān)管VT1、VT2以及輸入濾波器和輸出濾波器組成。三組雙向開關(guān)管實現(xiàn)諧波電流的回注，大大提高電路的功率因數(shù)和降低輸入電流諧波；分別由VT1、L1、VD+、Co和VT2、L2、VD-、Co構(gòu)成兩組Buck結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)降壓、整流的功能，通過合理的控制開關(guān)管VT1、VT2可以使電路輸出穩(wěn)定且低紋波的電壓。該電路最大的優(yōu)勢是控制方式簡單，可以直接用DC-DC變換器的控制方式進行控制。但該電路在雙向開關(guān)管切換的瞬間會出現(xiàn)死區(qū)，容易使輸入電流產(chǎn)生畸變，在設(shè)計控制策略的時候比較困難。

圖7 SWISS整流器電路

近幾年，在三相SWISS整流器的基礎(chǔ)上又衍生出來了許多電路拓撲結(jié)構(gòu)。文獻[31]將SWISS整流器和正激變換器相結(jié)合，提出了隔離型的SWISS整流器結(jié)構(gòu)，如圖8所示。該電路結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了輸入級和輸出級隔離，并且具有較低的傳導損耗。但是該電路由于變壓器的存在，增加了高頻開關(guān)管的電壓應(yīng)力，使SWISS整流器散失了其自身的優(yōu)勢，而且高頻電容Ch會使高頻開關(guān)管在開通瞬間存在電流尖峰，增加了開關(guān)損耗。

文獻[32]提出了一種新型的雙向開關(guān)電流注入拓撲結(jié)構(gòu)，如圖9所示。該電路通過開關(guān)管VTp、VTn和電感Ly來產(chǎn)生諧波注入電流，再通過雙開關(guān)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)電流注入。該電路能實現(xiàn)較高的功率因數(shù)，輸入電流諧波含量也較低，但該拓撲在電路中點處加入電感Ly，引起輸入電流有一定的畸變，影響電路的整體性能，而且該電路需要使兩個諧波產(chǎn)生開關(guān)管VTp、VTn和降壓高頻開關(guān)管VT+很好的配合，才能達到想要的目的，控制起來難度較大，且該電路相較SWISS整流器電路而言其工作效率較低。

圖8 隔離型的SWISS整流器結(jié)構(gòu)

圖9 三次諧波注入降壓型整流器

文獻[33]提出了一種雙向SWISS整流器結(jié)構(gòu)，如圖10所示，文獻[34]對其控制結(jié)構(gòu)進行了改進。該電路是將SWISS整流器和三相六開關(guān)PWM整流器相結(jié)合，綜合了兩者的優(yōu)勢，將SWISS整流器中的三相不控整流橋中的二極管換成了六個可控開關(guān)管，能夠?qū)崿F(xiàn)能量從AC-DC和從DC-AC的雙向流動。但該電路中可控功率器件較多，且需單獨控制，控制起來極其復雜，實際應(yīng)用困難。

圖10 雙向SWISS整流器結(jié)構(gòu)

文獻[35]在詳細分析了SWISS整流器的基礎(chǔ)上提出了交錯式SWISS整流器結(jié)構(gòu)，如圖11所示。該電路是將兩個SWISS整流器的輸入側(cè)平行并聯(lián)，輸出電感交錯連接。該電路最大的優(yōu)點是提高了電路的冗余度，可靠性高、穩(wěn)定性強，并且能工作在較大功率場合。但是該電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較復雜，只是提高了SWISS整流器的可靠性，在其他方面改進優(yōu)化較小，可以根據(jù)實際情況使用。

3 PFC技術(shù)主要發(fā)展方向

根據(jù)目前PFC技術(shù)的發(fā)展情況，在今后幾年內(nèi)PFC技術(shù)發(fā)展趨勢主要有以下幾方面。

圖11 交錯式SWISS整流器結(jié)構(gòu)

3.1 新的拓撲結(jié)構(gòu)及控制策略的提出

目前PFC技術(shù)越來越成為研究的熱點，已經(jīng)有多種新穎的單相PFC電路被提出，并且有些電路拓撲思路獨特，工作性能較好。但是對于三相PFC電路的拓撲結(jié)構(gòu)還比較局限，并且大多是國外提出，國內(nèi)研究相關(guān)拓撲改進的較少，這方面將成為研究熱點。

三相PFC技術(shù)性能比較優(yōu)越的主要有以下四種：升壓型的有六開關(guān)電壓型整流器結(jié)構(gòu)和VIENNA整流器結(jié)構(gòu)，降壓型的有六開關(guān)電流型整流器結(jié)構(gòu)和SWISS整流器結(jié)構(gòu)，并且這四種結(jié)構(gòu)均可運用于大功率場合，可以在這四種的基礎(chǔ)上進行拓撲結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和改進。

目前出現(xiàn)了許多如魯棒控制、模糊控制、重復控制、單周控制等一些新型的非線性控制策略。這些控制策略均可結(jié)合數(shù)字化進行實現(xiàn)，雖然增加了計算的復雜性，但會大大提升電路的可控性及穩(wěn)定性。

3.2 降壓型PFC電路應(yīng)用將更加廣泛

隨著對電路工作效率的求日益提高，相應(yīng)的對功率器件功耗及電壓電流應(yīng)力有了更高的要求，而這兩者相互影響。電壓電流應(yīng)力是造成器件損耗增加的主要原因，而降低電路所承受的電壓是降低電壓電流應(yīng)力的主要途徑，這就使降壓型PFC電路的應(yīng)用將更加廣泛。

3.3 將現(xiàn)有PFC拓撲結(jié)構(gòu)和其他開關(guān)電路結(jié)合

對Boost型PFC電路研究較多，但是由于其電路結(jié)構(gòu)的限制，不能用于降壓場合，因此又出現(xiàn)了多種和Boost型PFC電路相結(jié)合的電路拓撲。該類電路拓撲大多結(jié)合了Boost電路和其他電路的優(yōu)點，但是該類電路的控制策略尚未成熟，是以后研究的重點。

3.4 新材料和軟開關(guān)技術(shù)引入PFC電路

隨著新材料工藝的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了許多如SiC、GaN等一些新材料，由這些材料制成的功率半導體器件具有良好的導電性能和開關(guān)特性，能夠大大降低功率器件的開關(guān)損耗，提升電路的整體效率和性能。但是對于這些新材料功率器件的驅(qū)動電路研究還不成熟，需要進一步探討。

軟開關(guān)技術(shù)能夠減少功率器件在開通和關(guān)斷瞬間加在器件兩端的電壓和電流重疊時間，從而可以降低功率器件的開關(guān)損耗。這種技術(shù)主要運用在諧振變換器中，且該技術(shù)日趨成熟，可以將其運用于PFC電路中降低開關(guān)損耗，提升電路整體性能。但軟開關(guān)技術(shù)增加了輔助電路的復雜程度，并且設(shè)計諧振參數(shù)也比較麻煩，需要進一步優(yōu)化。

4 總 結(jié)

通過查閱大量相關(guān)文獻，本文對國內(nèi)外多種降壓型PFC電路拓撲進行總結(jié)，重點介紹了三相降壓型PFC電路拓撲，說明了各類電路拓撲的優(yōu)缺點。發(fā)現(xiàn)對于小功率應(yīng)用場合，三相降壓型PFC電路將以六開關(guān)電流型整流器為主，大功率場合將以諧波注入型SWISS整流器及其拓展結(jié)構(gòu)為主。