新型軟開關(guān)三相高功率因數(shù)整流器的研制
【摘　要】　提出了一種三相降壓式電容輸入多諧振功率因數(shù)校正(PFC)電路，并且分析了多諧振PFC的工作原理，采用單相時(shí)變簡(jiǎn)化分析模型，推導(dǎo)了電路元件電壓、電流約束關(guān)系，繪制了實(shí)用的PFC設(shè)計(jì)曲線。仿真及樣機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：本文提出的設(shè)計(jì)方法正確，軟開關(guān)技術(shù)有效；克服了準(zhǔn)諧振PFC存在的開關(guān)電流峰值大、直流輸出紋波大的不足，較好地解決了PFC實(shí)用技術(shù)存在的問題。
1　引言
　　眾所周知，工頻二極管和晶閘管整流器存在兩個(gè)缺點(diǎn)：一是從公共連接點(diǎn)吸取高峰脈沖電流，使網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)降低，網(wǎng)損增加；二是給電網(wǎng)注入大量的諧波，造成嚴(yán)重的諧波污染，影響供電質(zhì)量，危及電力系統(tǒng)的安全、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。因此，必須對(duì)這類整流器采取有效的抑制和改善措施。目前 的研究熱點(diǎn)之一是在整流器內(nèi)部采用有源功率因數(shù)校正技術(shù)[1～4]，從而改進(jìn)整流器的工作原理，使之入端幾近純電阻特性，實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)/低諧波整流。
　　三相硬開關(guān)PFC有良好的功率因數(shù)及波形校正的效果[1,2]，但是換流器存在開關(guān)應(yīng)力大和開關(guān)損耗大等嚴(yán)重缺點(diǎn)，因而限制了PFC性能的提高及實(shí)用效果。文獻(xiàn)[3]提出了電感輸入升壓式多諧振零電流開關(guān)的PFC電路，在等功率條件下，其開關(guān)元件的電流應(yīng)力要比采用PWM控制方式小，使之更適合使用IGBT功率開關(guān)。但為了保證校正電感工作在電流不連續(xù)方式(DCM)，整流器從電源吸取的電流是脈動(dòng)的，需要加裝特殊的EMI濾波器。又由于升壓式PFC的輸出電壓比輸入電壓高得多，使PFC電路的使用范圍受限。因此，作者提出了電容輸入降壓式準(zhǔn)諧振零電流切換的PFC電路[4]，實(shí)現(xiàn)了零電流開關(guān)，觖決了開關(guān)應(yīng)力大的問題。但在這種校正電路中，開關(guān)電流峰值比PWM方式PFC大得多，結(jié)果對(duì)同樣的負(fù)載，開關(guān)元件的導(dǎo)通損耗過大，實(shí)際使用時(shí)開關(guān)元件必須選大電流元件。
2　工作原理
　　本文提出的三相電容輸入降壓式多諧振校正電路如圖1所示。圖中v(a,b,c)為三相交流電源，Li(a,b,c)為輸入濾波電感，Ci(a,b,c)為校正電容，V1～6構(gòu)成二極管整流橋，S為理想功率開關(guān)，Lr為諧振電感，Lf、Cf為輸出濾波電感 、電容。校正電容Ci(a,b,c)與諧振電感Lr、二極管V及并聯(lián)電容CV構(gòu)成一多諧振槽路。分析時(shí)假定電路元件為理想元件，三相電源電壓正弦對(duì)稱，并且va= 2 Usinωt。
　　作者推導(dǎo)了三相電容輸入硬開關(guān)PFC的基波輸入等效電阻[4]，證明了電容輸入PFC輸入具有電阻特性。為了實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)及波形校正，輸入電感Li(a,b,c)必須選得足夠大，確保在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)電感電流保持不變；校正電容Ci(a,b,c)必須選得足夠小，并保證校正電容工作在電壓不連續(xù)工作方式下(DVM)，且根據(jù)負(fù)荷和電源的變化來控制開關(guān)頻率。在每一開關(guān)周期，校正電容電壓的充電速度與線電流成正比，盡管電容放電時(shí)并不是線性的，但同電感輸入PFC比較，電容放電速度比電感去磁速度快、時(shí)間短，這使得三相電源電流更依賴電容電壓峰值。以A相分析為例，在基本假設(shè)條件下，由于開關(guān)頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于基波頻率，在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，電感電流ia恒定不變。在開關(guān)S關(guān)斷期間，校正電容Cia在ia的作用下線性充電，電容Cia儲(chǔ)能。充電結(jié)束時(shí)，校正電容Cia上電壓峰值與電源電壓瞬時(shí)值成正比。一旦開關(guān)S觸發(fā)導(dǎo)通，校正電容儲(chǔ)存的能量轉(zhuǎn)移到諧振電感上。當(dāng)電容電壓放電至零時(shí)，由整流二極管續(xù)流，電感 Lr中的能量轉(zhuǎn)移給負(fù)載R。當(dāng)開關(guān)電流is過零時(shí)，控制開關(guān)S關(guān)斷，校正電容Cia又由電流ia線性充電，直到開關(guān)S再次導(dǎo)通為止。整流器穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，校正電容Cia上的電壓波形是高頻脈動(dòng)的，但其包絡(luò)線是正弦的(圖2)。在任意半個(gè)基波周期內(nèi)，校正電容Cia上的電壓的平均值與A相電壓的平均值相等，且其峰值與線路電流成正比。若開關(guān)頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于電源頻率、三相電源電壓為正弦，則校正器從電源吸取的電流i(a,b,c)也是正弦的，且與相電壓的幅值成比例。這樣，電源電壓與電流是同相正弦的。在整個(gè)過程中，整流器不向系統(tǒng)“回送” 功率，整流器不需要系統(tǒng)提供無功。因此，在不需另加有源或無源濾波裝置，在獲得較高的變換效率的同時(shí)，校正器自然地從電源吸取同相正弦電流。