Buck型三相功率因数校正技术的发展

摘要：综述了Buck型三相PFC技术近年来的发展概况，特别是其中软开关技术的发展。分析了具有代表意义的拓扑及其优缺点，并讨论了存在的问题和未来发展趋势。

关键词：功率因数校正；软开关；三相整流器；Buck型变换器

1  引言

    随着电力质量标准的日益严格，PFC技术已成为电力电子领域中的研究热点。由于单相PFC技术已经实用化、产品化，于是许多学者将研究重点放在了三相PFC技术上（尽管不可控整流功率因数校正的研究已经取得了一定进展，但还是很难满足质量标准，故本文只针对全控型）。提到三相PFC技术，很容易想到惯用的Boost＋DC/DC拓扑，但是，如果要求输出电压低于2.12V，或输出电压大范围可调时，则Buck型是一个比较好的选择。另外，Buck型还具有开关应力小及短路保护功能、不存在浪涌电流问题等优点。所以，Buck型值得深入研究。近年来，随着相关技术如软开关技术和各种控制策略的发展，Buck型PFC拓扑也取得了长足发展。本文的目的就在于追踪这种发展。

    通常，判断一个功率因数校正拓扑的优劣，有以下5个要求：1)高功率因数；2)输入电流波形畸变小；3)快速的输出电压调节；4)变压器隔离；5)高效率和高功率密度。本文评价各种新拓扑和新控制策略就以此为标准。

2  拓扑的发展

2.1  基本拓扑和工作模式

    Buck型三相PFC变换器的基本拓扑如图1（a）所示(以后的拓扑都省略输入LC滤波网络)。要实现电感L电流连续而线电压不短路，要求上下桥臂必须各有一开关管导通，而且只能各有一个导通。所有PWM策略，基本上都是改进的“六步法”[1]，如图1（b）所示。“六步法”就是把一个工频周期以相电压过零点分成六段,在每段中有2个线电压同极性。在每段中，具有最高或最低电压的相一直导通，而调节其它两相的导通时间，以实现电流跟踪电压，即功率因数校正。

（a） 基本拓扑

(b) 六步法

图1  基本拓扑和六步法

2.2  加直流侧开关实现软开关

    尽管Buck型拓扑中开关管的电压应力相对Boost已经降低许多，但由于在三相条件下，应力还是较高。为实现高频化，需要进一步降低开关应力，所以，许多文献开始了针对Buck型PFC拓扑的软开关研究。图2的策略是在直流侧增加一个有源开关Qdc。Qdc在所有桥臂开关关闭之前关闭；在所有桥臂开关开通之后开通。这样所有的桥臂开关的应力和开关损耗都集中到Qdc上，从而实现桥臂开关的软开关。选择快速开关来充当Qdc可以减小开关损耗，增加谐振网络可以进一步降低Qdc的应力。

图2  加直流侧开关实现软开关

    该拓扑将桥臂开关的应力集中到Qdc上，而且没有实现隔离。把这一思想进一步推广，用移相全桥变换器代替直流开关，就得到如图3所示的拓扑[2]。由于移相全桥能降低本身开关应力，所以该拓扑的所有开关应力都很小。但其开关数目多，控制复杂，功率密度不高，而且存在移相全桥的固有问题——占空比丢失，将造成输入电流波形畸变和输出电压纹波。

图3  Buck＋移相全桥实现软开关

2.3  增加谐振网络实现软开关

    文献[3]中提出的软开关策略如图4所示。其原理是，当主开关准备改变状态时，相应的辅助开关开通，这样主电流转移到辅助网络，造成零电流开通、关断条件。

图4  辅助网络实现软开关（1）

    该拓扑尽管能实现主开关和辅助开关的零电流开关条件，但显然开关数目多，辅助元器件多，电路复杂，控制困难，且没有隔离，很难走向实用化。

    文献[4]提出的拓扑如图5所示。其优点是软开关的实现与负载无关，但依然存在上述缺点。

图5  辅助网络实现软开关（2）

    文献[5]提出的软开关拓扑如图6所示。该拓扑运用修改的PWM方案实现ZCS。两个要换流的开关有一定时间的重叠，在辅助网络的作用下，实现电流渐进交替，而降低开关应力。

图6  辅助网络实现软开关（3）

    上述三个运用谐振辅助网络实现软开关的拓扑都没有实现隔离。为实现软开关，必须有桥臂单向二极管的存在；但是，单向二极管的存在，使得该拓扑只能工作在第一象限，直接加变压器隔离将造成变压器饱和。

2.4  运用移相原理实现软开关

    其拓扑如图7[6]所示。可以看出，该拓扑只是用变压器代替了基本拓扑的滤波电感，运用修改的PWM策略，引入移相全桥的软开关概念，而达到软开关目的。在每个时刻，只有两个桥臂导通，由于开关频率远大于输入电压变换频率，可以认为在该时刻输入电压不变，而引入DC/DC中的移相全桥软开关策略。

图7  运用移相原理实现软开关

    由于该策略巧妙地利用变压器漏感和开关管的寄生电容实现软开关，并能充分利用MOSFET体内的反向二极管，使得该拓扑显得简练，是比较理想的选择。只是在现有的PWM控制策略下，还存在如下问题：1)不能实现所有开关全面软开关；2)开关必须由一个N型和一个P型MOSFET串联组成；3)存在移相全桥的固有问题。

3  建模、仿真和控制的发展

    电力电子线路是非线性系统，三相系统又存在强耦合，所以，Buck型三相系统的建模非常困难。文献[7]用时变电阻代替开关器件对三相Boost整流器进行建模、仿真，该方法很容易运用到Buck电路中。目前也有运用坐标变换而得到三相解耦模型。文献[8]中给出了三相Buck型小信号模型，为进行变换器前后级滤波器设计和稳定性分析奠定了基础，文献[9]在此基础上分析了三相不平衡输入的工作情况。文献[2]给出了图3中的大信号模型，从根本上分析了由于占空比丢失而造成的输入电流波形畸变和输出电压纹波，并提出了改进的控制策略。

    仿真一般有两种选择，即运用现有软件和自己编程。运用现有软件一般存在2个问题，一是由于大量开关的存在，不可能获得足够长时间的仿真结果；二是收敛问题。针对这些问题有的学者提出了Matlab和Pspice相结合的仿真方法，该方法对仿真三相整流器应该有所帮助。由于Buck拓扑的实时PWM控制信号的产生要经过坐标变换或空间矢量计算，这些很难在仿真软件实现，而自己编写程序，可以把复杂的控制策略包含在程序中[7]。

    三相Buck型整流器实现功率因数校正的基本策略是“六步法”或空间矢量调制法。所有的新拓扑和新控制方法都是在此基础上的修改版本，以改善某些性能或优化某些参数。如把移相全桥的软开关策略引入而降低开关应力。

4  存在问题

    1)软开关问题

    尽管前面已经提到许多软开关策略，但都还存在各自的不足。只有研究出一种完全满足引言中所述5个要求的拓扑，三相Buck型拓扑才能走向高频化，实用化。

    2)滤波器设计问题

    由于Buck型的输入电流断续，所以必须在前级加LC滤波网络；但LC网络的增加将使输入电流和电压产生相位差，而降低功率因数。因此，必须优化设计该LC网络，使它既能满足滤波要求，又对功率因数影响不大。

    3)系统干扰问题

    这是所有三相整流系统都存在的问题，在Buck型中显得更为突出。三相系统是高容量系统，要求输入电阻小；但由于谐波标准的要求，滤波器不能任意小，这矛盾如何平衡？

    4)数字化实现问题

    数字电路不存在老化问题，而且比模拟电路容易实现，所以数字化也是变换器发展方向之一。但由于数字化存在采样和计算时间的延迟，如何简化计算程序并且补偿延迟，将是实现数字控制必须解决的问题。

5  结语

    三相Buck型PFC变换器日益吸引人们的注意力。前述存在问题将是推动其发展的动力，也是其发展的方向。特别是随着三相Boost型变换器技术、软开关技术、逆变技术的发展和日益成熟，其中的很多技术可以引入三相Buck型PFC变换器，使其逐步完善，进而实用化、产品化。