【導(dǎo)讀】為了滿足應(yīng)用的要求，為PFC選擇的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是一個(gè)重要考慮因素，它們將決定整體的解決方案和性能。此外，并非所有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都可以滿足所有要求，就像并非所有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都支持三電平開(kāi)關(guān)或雙向性。之前我們介紹過(guò)三相功率因數(shù)校正系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)和設(shè)計(jì)三相PFC時(shí)的注意事項(xiàng)，本文將介紹一些常見(jiàn)的三相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并討論它們的優(yōu)缺點(diǎn)。
為了滿足應(yīng)用的要求，為PFC選擇的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是一個(gè)重要考慮因素，它們將決定整體的解決方案和性能。此外，并非所有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都可以滿足所有要求，就像并非所有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都支持三電平開(kāi)關(guān)或雙向性。之前我們介紹過(guò)三相功率因數(shù)校正系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)和設(shè)計(jì)三相PFC時(shí)的注意事項(xiàng)，本文將介紹一些常見(jiàn)的三相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并討論它們的優(yōu)缺點(diǎn)。
Vienna整流器（三開(kāi)關(guān)升壓）
在深入研究Vienna整流器的技術(shù)細(xì)節(jié)和特征之前，有必要了解一下它的歷史，但更重要的是，我們要就所討論的內(nèi)容達(dá)成共識(shí)。Vienna整流器是一種脈寬調(diào)制整流器，由 Johann W. Kolar于1993年發(fā)明。在Kolar發(fā)明它之前，人們使用每相單相（帶或不帶中性線）和負(fù)載共享來(lái)平衡相電流。如今，“Vienna”一詞通常主要指三相AC/DC轉(zhuǎn)換器，但有時(shí)也指DC/AC或逆變器。例如，中性點(diǎn)鉗位 (NPC) 和T?NPC三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有時(shí)被稱(chēng)為“Vienna”，即使作為逆變器工作時(shí)也是如此。在討論所謂的“Vienna”轉(zhuǎn)換器時(shí)，建議確定是哪一種“Vienna”。
關(guān)于“Vienna”整流器的特性，它是一種三相連接升壓PFC，如圖7所示。單相升壓PFC由電感、開(kāi)關(guān)器件和整流二極管組成。在三電平結(jié)構(gòu)中，每個(gè)半波或每個(gè)母線電壓（不包括中間的公共接地）都有一個(gè)“升壓”整流二極管 (DxBy)。然后，有一個(gè)雙向開(kāi)關(guān)， 由一個(gè)全波二極管整流橋（DxPy和DxZy）和其中的單向開(kāi)關(guān) (Qx)組成。我們得到如下原理圖。
圖7. Vienna PFC原理圖
開(kāi)關(guān)Qx的額定電壓為600V或650V。所有二極管的額定電壓也可以為600V。這將有助于減少損耗，因?yàn)椴恍枰~定電壓為1200V的器件。另一方面，二極管損耗很重要。電流路徑中始終有兩個(gè)串聯(lián)的高頻二極管。對(duì)于這些二極管，始終要在壓降和反向恢復(fù)之間進(jìn)行折衷。
對(duì)于PWM，它非常簡(jiǎn)單，因?yàn)槊肯嘀挥幸粋€(gè)開(kāi)關(guān)。在反向Clark和Park帕克反向變換之后，調(diào)制直接應(yīng)用于開(kāi)關(guān)。但是，根據(jù)輸入的正弦波方向，電流路徑會(huì)發(fā)生變化。根據(jù)輸入電壓符號(hào)和/或電流方向/流動(dòng)，二極管整流橋和“升壓”二極管“自動(dòng)”參與電流路徑。這在圖8中得到了很好的說(shuō)明。
圖8.Vienna升壓PFC電流路徑（用于存儲(chǔ)和釋放能量模式）和相電壓
如前所述，由于電流分別從一相或兩相流向其余兩相或一相，因此上圖僅畫(huà)出一條支路（或一相原理圖）。根據(jù)運(yùn)行的扇區(qū)，可以使用上述方案導(dǎo)出每個(gè)相（U、V 或 W）的兩種模式（相電壓先將能量存儲(chǔ)在升壓電感器中，然后將能量釋放到輸出電容）。
這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)是每相使用一個(gè)開(kāi)關(guān)。即使原理圖看起來(lái)因所涉及的二極管數(shù)量而變得更加復(fù)雜，但它能使控制變得更加容易。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的成本也很低，因?yàn)殚_(kāi)關(guān)數(shù)量非常少。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是單向的。
這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的一個(gè)主要缺點(diǎn)是二極管數(shù)量多。電流路徑中始終有兩個(gè)二極管，這會(huì)影響效率。所有驅(qū)動(dòng)器都是浮地的，需要特定的浮動(dòng)電源。
開(kāi)關(guān)的選擇可以根據(jù)功率級(jí)別，采用 超結(jié)MOSFET或 IGBT。對(duì)于更高頻率的操作和/或更小的尺寸，也可以使用SiC MOSFET。對(duì)于二極管，建議使用硅STEALTH? 2 或SiC二極管。
T?NPC升壓
不同于“Vienna整流器（三開(kāi)關(guān)升壓）”部分介紹的原版“Vienna”，T型中性點(diǎn)箝位 (T?NPC) 以不同方式實(shí)現(xiàn)雙向開(kāi)關(guān)。T-NPC不是使用整流橋?qū)蜗蜷_(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換為雙向開(kāi)關(guān)，而是使用背靠背開(kāi)關(guān)配置，如圖9所示。當(dāng)開(kāi)關(guān)未導(dǎo)通且電流與此開(kāi)關(guān)的正常開(kāi)關(guān)電流相比以“反向”方向流動(dòng)時(shí)，也可以從體二極管導(dǎo)通。像IGBT這樣的雙極器件就是這種情況。使用MOSFET等單極器件，如果需要，可以打開(kāi)開(kāi)關(guān)以減少導(dǎo)通損耗。
圖9.T?NPC升壓PFC原理圖
開(kāi)關(guān)Qxy的額定電壓為600V或650V。二極管DxBy額定電壓為1200V。元件數(shù)量比原來(lái)的Vienna PFC少得多。導(dǎo)通損耗要低得多，因?yàn)橐淮沃挥幸粋€(gè)二極管串聯(lián)在電流回路中。但是，由于“升壓”二極管是1200V器件，開(kāi)關(guān)損耗略大于600V二極管。由于二極管少得多，因此很難預(yù)測(cè)哪種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有最佳效率。實(shí)際上，由于二極管數(shù)量較少，這種T?NPC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有更好的效率。圖10突出顯示了其中一相的電流路徑。
圖10.T?NPC升壓PFC電流路徑（用于存儲(chǔ)和釋放能量模式）和相電壓
同樣的反饋方法可以在這里與Clark和Park帕克直接和反向變換使用，以獲得PWM信號(hào)。
由于兩個(gè)背靠背開(kāi)關(guān)共享相同的發(fā)射極或源極引腳節(jié)點(diǎn)，因此驅(qū)動(dòng)器可以直接在控制環(huán)路之外使用相同的PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)背靠背開(kāi)關(guān)。否則，根據(jù)正弦波符號(hào)（正或負(fù)），需要驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的開(kāi)關(guān)。在這種情況下，有6個(gè)開(kāi)關(guān)要驅(qū)動(dòng)。這使得驅(qū)動(dòng)正確開(kāi)關(guān)的PWM解碼方案稍微復(fù)雜一些。
在這兩種情況下，驅(qū)動(dòng)器都需要像原版Vienna那樣是浮地的。
這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是有源元件要少得多。對(duì)于原版Vienna，每相有6個(gè)有源元件。如果我們將體二極管視為開(kāi)關(guān)的一部分，則T?NPC中每相只有4個(gè)有源元件。另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是較低的導(dǎo)通損耗，使這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更適合更高的功率。
T?NPC的主要缺點(diǎn)是需要1200V二極管。這可能會(huì)抵消較低的導(dǎo)通損耗帶來(lái)的效率增益，并可能影響總體成本。
T?NPC結(jié)構(gòu)也用作逆變器。在這種情況下，“升壓”二極管被開(kāi)關(guān)取代，如圖11所示。與PFC相比，輸出方向是相反的。這樣全部開(kāi)關(guān)器件都是可雙向工作的T-NPC拓?fù)渚涂梢宰龅诫p向功率傳輸，由控制回路定義傳輸方向。
圖11.雙向T?NPC升壓PFC原理圖
NPC和A?NPC升壓
雙向開(kāi)關(guān)的實(shí)現(xiàn)方案再次發(fā)生變化。NPC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使用兩個(gè)開(kāi)關(guān)，分別用于每個(gè)（正或負(fù)）正弦波半周期。二極管橋現(xiàn)在是一個(gè)混合橋，結(jié)合了二極管和開(kāi)關(guān)管，如圖12所示。兩個(gè)前端二極管用作一種“變速箱”，用于切換正相或負(fù)相周期。然后，連接到輸出端的二極管和接地的開(kāi)關(guān)管用作升壓開(kāi)關(guān)單元。這是顯而易見(jiàn)的，因?yàn)榇颂幟枋龅乃型負(fù)浣Y(jié)構(gòu)（Vienna、T-NPC和NPC）都在升壓模式下運(yùn)行。
圖12.NPC升壓PFC原理圖
開(kāi)關(guān)Qxy的額定電壓為600V或650V。所有二極管（DxBy和DxPy）的額定電壓也可以為600V或650V。這將有助于減少損耗，因?yàn)椴恍枰~定電壓為1200V的器件。另一方面，在電流路徑中總是有兩個(gè)組件 {即1個(gè)二極管與（1個(gè)二極管或1個(gè)開(kāi)關(guān)）} 串聯(lián)。這種NPC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比T-NPC具有更高的導(dǎo)通損耗。
同樣的反饋方法可以在這里與Clark和Park帕克直接和反向變換使用，以獲得PWM信號(hào)。
這里的3個(gè)開(kāi)關(guān)是浮地的，需要浮地的柵極驅(qū)動(dòng)。其他3個(gè)開(kāi)關(guān)接地，它們不需要浮地驅(qū)動(dòng)器。這可以視為一種優(yōu)勢(shì)，但這種優(yōu)勢(shì)可能被兩個(gè)原因影響。首先，根據(jù)功率水平，可能需要開(kāi)爾文引腳到開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)來(lái)驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)并提高效率。其次，為避免電流諧波，要求正負(fù)正弦波相位對(duì)稱(chēng)運(yùn)行。這意味著浮動(dòng)和接地柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)應(yīng)具有相同的延遲。因此，出于這個(gè)原因，浮動(dòng)開(kāi)關(guān)和接地開(kāi)關(guān)通常使用相同的驅(qū)動(dòng)原理圖。
根據(jù)正弦波極性（正或負(fù)），需要驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的開(kāi)關(guān)。這使得驅(qū)動(dòng)正確開(kāi)關(guān)的PWM解碼方案比三開(kāi)關(guān)Vienna稍微復(fù)雜一些。此拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電流路徑如圖13所示。
圖13.Vienna升壓PFC電流路徑（用于存儲(chǔ)和釋放能量模式）和相電壓
由于沒(méi)有1200V二極管，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在損耗方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，與原版 Vienna 相比，組件更少。驅(qū)動(dòng)器配對(duì)和延遲匹配很關(guān)鍵，可以看作是一個(gè)缺點(diǎn)。
在這種結(jié)構(gòu)中，用開(kāi)關(guān)代替二極管也使拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)成為雙向的，如圖14所示。這種結(jié)構(gòu)稱(chēng)為A?NPC（有源中性點(diǎn)鉗位）。
圖14.雙向NPC升壓PFC原理圖，也稱(chēng)為A-NPC升壓PFC
半橋PFC升壓
6-switch、6-Pack， 或稱(chēng)三相半橋逆變被廣泛用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)，尤其是 BLDC 電機(jī)。當(dāng)電機(jī)制動(dòng)時(shí)，能量從電機(jī)的旋轉(zhuǎn)中拉出并存儲(chǔ)在總線電容器中。逆變器以反向模式工作，為電機(jī)軸提供動(dòng)力。它與PFC的功率流相同。電源從三相電源流向直流母線。在這種斷路運(yùn)行模式下，電機(jī)電感器用作“升壓”電感器。這種電機(jī)制動(dòng)模式與PFC模式的區(qū)別在于控制回路給出的控制策略。因此，6-switch PFC與反向模式下的電機(jī)逆變器原理圖相同（其中負(fù)載是源，反之亦然）。如圖15所示，它是最簡(jiǎn)單的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。所有開(kāi)關(guān) (Qxy) 都是1200V器件。在任何時(shí)候，功率流中每相只有一個(gè)開(kāi)關(guān)。這是一種效率上的優(yōu)勢(shì)，可以彌補(bǔ)額定為1200V的器件的不足。它也是一個(gè) 兩電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。所以，調(diào)制是直接的。如今，一些額定電壓為900V的器件也可用于此拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。那些 900 V 器件的性能優(yōu)于1200V器件。這有助于減少650V以上的開(kāi)關(guān)器件的缺點(diǎn)。
圖15.雙向三相半橋兩電平升壓PFC
由于我們有3個(gè)接地的半橋，使用半橋驅(qū)動(dòng)器構(gòu)建驅(qū)動(dòng)器要容易得多，并且可以使用自舉等技術(shù)來(lái)創(chuàng)建浮動(dòng)電源。這使用眾所周知且廣泛使用（在電機(jī)控制應(yīng)用中）的技術(shù)簡(jiǎn)化了原理圖。為了更好地理解，圖16顯示了返回和正向路徑。由于沒(méi)有中間點(diǎn)（因?yàn)樗莾呻娖酵負(fù)浣Y(jié)構(gòu)），電流路徑在這種情況下不是很明顯。
圖16.用于存儲(chǔ)和釋放（升壓）能量模式和相電壓的三相半橋升壓 PFC 電流路徑
可提供用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)的功率模塊，也可用于超高功率應(yīng)用的 PFC 應(yīng)用。此拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)本質(zhì)上是完全雙向的。如本文開(kāi)頭所述，主要缺點(diǎn)主要是與兩電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的客觀優(yōu)缺點(diǎn)有關(guān)。
并聯(lián)單相帶中性線
相比于使用具有復(fù)雜控制（通常需要數(shù)字控制器）的專(zhuān)用三相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，一種更簡(jiǎn)單的替代方法是使用三個(gè)具有中性線連接的單相PFC，如圖17所示。在此配置中，如果系統(tǒng)不平衡，中性線是必不可少的，即使三個(gè)單相PFC連接到負(fù)載分配控制以在三相之間平均分配功率也是如此。
圖17.三相PFC使用3個(gè)單相PFC并聯(lián)
由于單相PFC非常流行，以這種方式使用似乎更容易。有人認(rèn)為三個(gè)獨(dú)立轉(zhuǎn)換器的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在發(fā)生故障的時(shí)候：即使一個(gè)失效，仍有兩個(gè)可用。如果故障不擾亂電網(wǎng)，那確實(shí)如此。例如，如果輸入級(jí)出現(xiàn)短路故障，并且這種短路會(huì)在保險(xiǎn)絲熔斷之前以某種方式傳輸?shù)诫娋W(wǎng)。如果它擾亂了電網(wǎng)并且中性點(diǎn)在此故障期間發(fā)生了變化，則可以向剩余的PFC施加完整的相間電壓。為避免失效，剩余的PFC將不得不維持此瞬態(tài)電壓，這會(huì)增加PFC損耗、尺寸和成本。
這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)起來(lái)簡(jiǎn)單得多，因?yàn)閱蜗郟FC被廣泛使用。但是，由于需要使用中性線，使得配電網(wǎng)絡(luò)更加昂貴并且不是最優(yōu)的。此外，單相PFC無(wú)法處理幾千瓦以上的功率。若要處理更高的功率，需要并聯(lián)。
三相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)總結(jié)
表1總結(jié)了每種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在前面討論的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)方面的優(yōu)缺點(diǎn)。
表 1.本文中討論的通用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)總結(jié)
結(jié)論
三相PFC系統(tǒng)很復(fù)雜，有多種可能的設(shè)計(jì)來(lái)滿足相同的電氣要求，需要考慮的范圍很廣，需要權(quán)衡取舍。要為每個(gè)應(yīng)用找到最佳解決方案并非易事，需要系統(tǒng)層面和組件層面的系統(tǒng)專(zhuān)業(yè)知識(shí)。
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