三相功率因数校正PPT幻灯片课件

三相功率因数校正（PFC）技术的研究,1,1.三相功率因数定义1,在PFC电路中基波位移因数为1，因此总的功率因数为,2,2.由单相PFC组合的三相PFC23,3个单相的PFC电路组合构成三相PFC电路如图1和图2所示。优点:可以利用比较成熟的单相PFC技术，电路具有冗余特性。缺点：（1）使用的元器件比较多。需三个外加隔离DC-DC变换器，因此成本较高。（图1）（2）图2电路是三个单相PFC变换器在输出端直接并联而成的，电路中三个单相PFC之间存在相互影响，即使加入隔离电感和隔离二极管后也不能完全消除这种影响。电路的效率和输入电流THD指标有所下降，不适合于大功率场合应用。（3）开关管过多，损耗比一般的三相PFC大（4）要有复杂的输出同步电路,3,图13个单相的PFC电路组合构成三相PFC,4,图2.加入隔离电感和隔离二极管的后3个单相的PFC电路组合构成三相PFC,5,图3是通过工频变压器把三相电压变换成两个单相，这两相的输出电压幅值相同，相位差90。然后用两个单相PFC电路来实现三相PFC的功能与图1和图2所示电路相比，这种电路少用一个单相PFC模块。变压器可以实现PFC电路与输入网侧间的隔离作用，而且通过变压器变比的设计，可以调整PFC的输入电压。但使用变压器增大了系统的体积和重量。,图3由两个单相PFC组成三相PFC电路,6,3.三相单开关PFC电路237,3.1基本电路及原理2三相单开关PFC电路如图4所示。开关导通期间:电感电流线性上升。各相的电流峰值正比于对应各相相电压瞬时值开关关断期间：加在输入各电感上的电压由输出电压与此时的相电压瞬时值决定，电感上的电流平均值与输入电压瞬时值不再满足线性关系,7,图4三相单开关PFC电路,可求出各个时段占主导地位的电流的平均值,8,图5输入相电流波形与升压比M的关系,从图5中看出,输入电流平均值强烈依赖于升压比M,只有当M较大时,输入电流才接近正弦,即THD较小7。为了减小网侧输入电流的畸变，就需要提高输出电压，但这会增大电路中功率器件的开关应力，同时使得后级的DC-DC环节因为输入电压高，而设计困难。,9,3.2控制电路3456,控制方案:（1）电压环单环控制3输入电压与参考电压的误差经放大后与三角波比较来控制开关管由于电压环很慢，保持主开关管开关频率恒定，占空比随负载而变化,图6电压单环控制,10,（2）六次谐波注入法：为了减少输入电流的THD，可以在调制波中加入6的倍数次谐波，使得总的谐波含量减少，使得在满足谐波标准的前提下，降低输出直流电压。4,11,图7谐波注入PWM控制,12,（3）改变开关频率法。这种方法每当三相Boost电感电流均下降到零时，开关管立即导通，开始下一个开关周期。在这种条件下Boost电感工作在DCM与CCM的临界情况，由于各个时刻输入电压值不同，因而开关频率也不同，即开关是工作在变频情况下。5优点:由于开关频率改变，谐波不会集中分布在某个开关频率附近而是分布在某个频率区域范围内。这就减小了谐波的幅值，PFC电路前的EMI滤波器可以设计得比较小。,13,3.3三相单开关PFC电路改进,两个三相单开关管PFC电路交错并联6这种并联的思想是让两个三相单开关管PFC电路尽可能的工作在临界状态，两个开关管的驱动信号互差180。这样单个三相单开关管PFC电路工作在DCM，但两个模块电流之和可能是连续的，输入网侧电流显著减小。优点：（1）减小输入电流的THD（2）系统的等效开关频率提高一倍，减小EMI体积和重量缺点：（1）成本提高（2）两个模块内部相互影响，要加隔离二极管,14,图7两个三相单开关管PFC电路交错并联,15,3.4软开关电路23,图8ZCT电路,16,17,图9ZCT电路各阶段的等效电路,18,3.5小结,优点：（1）三相单开关PFC电路的结构和控制都很简单，系统成本低。（2）主开关为零电流开通，开通损耗小。缺点：（1）输入输出电流纹波较大，对EMI滤波器的要求较高。（2）THD大，功率因数低，要在THD和输出电压间进行折中,19,4三相双开关PFC28910,4.1基本电路及工作原理在三相电路中，三相电流总共有三个自由度，而三相单开关PFC中只使用了一只开关管对电流进行控制，加上三相电流之和为零这个条件，最多只能对两个自由度的量进行控制。所以可以通过增加一只开关管来对三相电流进行控制。图10是直接接交流电源中性点。但四线制的要求限制了实际应用。图11的电路中，在输入端用三个Y型接法的电容来构造浮动中点，这个中点与两只串联开关管的公共点相联附。Y型接法的三个电容可以在一定程度上减小低次电流谐波。,20,4.2开关管中点接电源中性点9,图9开关管中点接电源中性点,4.2.1基本电路,21,图10（a）解耦后的上半桥电路（b）解耦后的下半桥电路,如图9，中线时电路部分解耦为两部分，上半桥正半周期电压，下半桥负责负半周期电压。,22,4.2.2控制方法914,本电路工作在恒导通时间临界DCM模式下，开关管的开通时间（on-time）是恒定的。在一个区间内，以电压绝对值最大的那相作为参考电流。（一个区间是120）在第N个开关周期内，A相的相电流的平均值,0-60：,60-120：,120-180：,23,4.3开关管中点接人工中性点10,4.3.1基本电路及其工作原理图11中的电路通过输入端Y型接法的三个电容构成的中点与两只串联的开关中点和两个串联输出电容的中点相联接构成三电平电路。电路可以工作在CCM或DCM方式下。一种工作在CCM下的控制方法是通过开关S1，S2分别控制正向电压最大相和负向电压最大相的电流来实现的,24,图11开关管中点接人工中性点三相双开关PFC,图12部分解藕后电路,25,4.3.2控制方法,图13控制电路,26,图14电流参考波形,图15控制,27,控制电路由DSP来完成。如图13，Vout-down与Vout-up的差经PIRegulator来调节两个中性点NN的电压，使Vnn=0。两个电压环（upanddown）与Vup相乘，作为电流环的参考量,28,4.3.3小结8,优点：（1）在电路工作时开关管所承受的最大电压只有输出电压的一半，这就可以选择耐压参数小而开关速度快的半导体开关器件(如MOSFET)以提高开关频率。（2）电路工作在CCM下，THD较小，前端的EMI滤波器可以设计得比较小（3）三次谐波消失缺点：需要检测的控制量比较多，控制比较复杂,29,4.4交错并联11,一种两个双开关三电平电路交错并联的方法，电路如图16所示，可以进一步减小输入电流的THD值，从而减小EMI滤波器，这种交错并联方法与三相单开关PFC电路的交错并联思想是一致的。,图16交错并联双开关电路,30,4.5软开关电路8,优点：（1）开关S1，S2是在零电压下导通（ZVS）（2）电路工作在CCM下，THD小（3）电路控制简单缺点：（1）开关管的电流最大值是三个谐振电流之和（2）使用元件多，成本高,图17三相双开关谐振电路,31,5三开关PFC,5.1两个单相Boost电路串联813,5.1.1基本电路及工作原理,图18三相三开关三电平PFC图19串联双BoostPFC电路1,32,图20串联双BoostPFC电路2,三相三开关PFC电路如图18所示，其中开关S1，S2，S3是双向开关。由于电路的对称性，电容中点电位与电网中点的电位近似相同，因而通过双向开关S1，S2，S3可分别控制对应相上的电流。开关合上时对应相上的电流幅值增大，开关断开时对应桥臂上的二极管导通(电流为正时，上臂二极管导通;电流为负时，下臂二极管导通)，在输出电压的作用下Boost电感上的电流减小，从而实现对电流的控制。,33,5.1.2控制方法13,每过60的区间，就改变一次开关状态。在每个区间内都是一个开关很断开，另两个开关管被控制。例如在（-3030）区间双向开关Sa闭合，而Sa，Sb则被高频率控制。这样A相和B相的电感电流就会随各自的相电压变化。等效电路图为图21.,图21三相三开关三电平（VIENNA）电路等效电路,34,而在一个区间里有四种开关组合。如图22。,图22四种开关组合,35,图23控制电路框图,36,（1）区域选择电路（regionselectioncircuit）根据三相电压来确定相应的等效电路（2）输入多项选择电路（theinputmultiplexercircuit）选择相应的电感电流来组合(3)核心电路（corecircuit）实现算法（4）输出逻辑电路（outputlogiccircuit）用Qp，Qn去驱动整流器,37,5.1.3其他控制方法,（1）滞环控制（2）空间矢量控制（3）让对应相上的开关在该相电压正向过零和负向过零时开始各导通30其余时间开关关断这样来实现功率因数校正14该电路显著特点是工作于低频下,无需快速器件,成本低;不需要中线,无三次谐波;满载时功率因数很高;开关应力小,关断压降低;但轻载时特性很差,所以特别适合于对设备体积要求不高、负载变化不大的场合。优点：(1)控制简单，和三相不控整理相同(2)开关频率只是网侧开关频率的两倍，因而可以选用频率比较低的开关器件，系统成本较低。缺点：这种控制方法下THD比较大，Boost电感值要取得比较大。,38,5.2两个单相Boost电路并联13,图24开关管星形联结图25开关管三角形联结,39,5.2.1控制方法,在一个网侧电压周期的360内，选择一个60区域，如VaVc0，Vb2.5倍直流母线电压)采用图39所示的有源箱位谐振直流环节电路(ACRDCL)可以将电压应力降低到1.3-1.4倍输出电压的水平，但是谐振电路仍必须工作很高的频率，通常是8-10倍桥路的开关的频率。,62,图38谐振直流环节变换电路,63,图39有源箝位谐振直流环节三相PFC电路,64,控制方法：无论是在谐振直流环节还是有源箱位的谐振直流环节中，开关只能在直流母线谐振到零后才动作，因此在硬开关电路中很成熟的PWM和SVM空间矢量控制技术不能直接采用。为了配合谐振电路的谐振过零点，RDCL电路的控制策略必须做一些调整，采用离散脉冲调制策略(DPM-discretepulsemodulation)20，这时三相桥臂电路上开关的工作频率不再固定，这会产生不希望的次谐波(sub-harmonics)，理论分析表明，为了产生与PWM控制相同质量的输出波形，采用离散脉冲调制策略的变换器的工作频率必须比硬开关PWM控制高3-4倍。,65,7.3.1.2PRDCL2122,为了避免上面提出的谐振直流环节变换器中器件上较高的电压应力，并且能采用PWM或者SVM空间矢量控制，人们又提出了并联谐振直流环节变换器(PRDCL)。如图40所示的并联谐振直流环节变换器拓扑，并联谐振直流环节变换器在直流母线上串联一个辅助开关，而辅助软开关电路并联在桥路的两端，在正常工作时，能量在直流母线上传输，在桥路开关切换时，串联在母线上的串联开关将母线与输出电容切断，辅助谐振支路将直流母线电压谐振到零，从而使得开关在零电压下切换。电路可以实现PWM控制，但是这个电路使用了三个辅助开关，结构比较复杂。,66,图40并联谐振直流环节(PRDCL)PFC电路,67,图41各阶段的工作框图图42谐振电感电流，电容电压的波形,68,7.3.1.3PRDCL与SPSS结合2122,图43分布电容PRDCL图44SPSS工作框图(有错),69,图45（a）SPSS开始工作前的开关状态（b-1）没有用SPSS时的开关管SL的电压应力，（b-2）PRDCL和SPSS结合时开关管SL的电压应力,可见PRDCL和SPSS结合可以有效的减小LC震荡时开关管SL的电压应力。,70,控制方法：SVPWM,71,7.3.2交流环节(谐振极型)软开关拓扑22425,在谐振直流环节软开关拓扑中，辅助谐振电路放置在直流母线与三相桥臂之间，只用一组辅助电路就可以实现桥臂中开关的软开关，但是辅助电路中往往会有较大的电流应力，产生较大的导通损耗。谐振极型软开关拓扑为每一个桥臂安装一套辅助谐振电路，对于三相电路则需要三套辅助电路，虽然增加了系统的复杂性，但是辅助电路中功率器件的应力小，辅助电路的导通损耗小，电路的效率高，可以工作在高的开关频率，并且能够实现能量的双向流动，适用于大功率场合应用。因为三个桥臂中的开关分别可以实现软开关，因此可以采用传统的PWM和SVM控制，而不像在谐振直流环节中那样受到限制。,72,7.3.2.124,图46ZVT-PWM3相整流器/逆变器电路图,73,图47（a）充电阶段（b）谐振阶段（c）（d）放电阶段,74,7.3.2.225,图48新型ZVT-PWM拓扑图,75,假设，则SVM顺序是V7-V2-V1-V7。,图49空间矢量各个矢量的电路图,76,可见只有在从V1-V7时，才有开关动作本拓扑ZVT的原理和过程和图48基本相同,图50软开关各阶段的电路等效图,77,7.4强迫整流三电平整流器26,图51拓扑图,78,7.4.1基本电路和工作原理,以A相为例，当S11，S12都闭合时，；当S11，S12都断开时，极性由A相电流的方向决定。易知本拓扑共有27种开关量组合。由图51可知，要使整流器输入电流为正弦电流，则输入端电压也必须是正弦电压，这是不可能的。但我们可以通过选择合适的开关量来合成一个含基波正弦和仅有高次谐波的输入电压,图51整流器等效电路图,79,由于电压的极性有该相电流的方向决定，所以仅有一个小正六边形内的电压矢量是可使用的。见图52.,图52开关模式和限制,80,7.4.2控制方法7.4.2.1中性点电压控制,用矢量（1，0，0）或（0，-1，-1）来调节中性点电压。用矢量（1，0，0）可对上面的电容充电，而对下面的没影响；用矢量（0，-1，-1）正好相反,81,7.4.2.2电流控制,82,83,7.4.2.3选择开关状态量,A：仅考虑控制电流使在反向最多的地方。B：综合考虑输入电流和中性点电压控制只要和点乘非正，就尽可能多的选择矢量（1，0，0）或（0，-1，-1）,84,图53开关状态量选择,85,8.高功率因数整流器控制策略综述,8.1控制策略分类分类标准：电感电流是否连续不连续导通模式(DCM)：恒频、变频、等面积等连续导通模式(CCM)：根据是否直接选取瞬态电感电流之分作为反馈和被控制量，有直接电流控制和间接电流控制。直接电流控制：峰值电流控制(PCMC)、滞环电流控制(HCC)、平均电流控制(ACMC)、预测瞬态电流控制(PICC)、线性峰值电流控制(LPCM)、非线性载波控制(NLC)等电流的控制也可以通过控制整流桥输入端电压的方式间接实现，称为间接电流控制或电压控制。,86,8.2DCM控制模式,DCM控制模式的特点:输入电流自动跟踪电压且保持较小的电流畸变率功率管实现零电流开通(ZCS)且不承受二极管的反向恢复电流输入输出电流纹波较大,对滤波电路要求高;峰值电流远高于平均电流,器件承受较大的应力单相PFC功率一般小于200W,三相PFC功率一般小于10kW,87,8.2.1恒频控制,恒频控制时开关周期恒定，电感电流不连续。电感电流在一个开关周期中的平均值为：若Toff恒定，DC/DC变换器输入侧等效为阻性负载，整流器交流侧电压电流同相位。实际上Toff在半个工频周期中并不恒定，导致输入平均电流有一定程度的畸变。输出电压与输入电压峰值的比值越大,输入电流畸变程度越小。该控制方式下的电流THD可控制在10%以内,88,8.2.2变频控制,若Ts=Ton+Toff则输入平均电流只与导通时间有关，保持Ton恒定，输入电流理论上无畸变，这就是变频控制的原理。变频控制方式下电流工作于临界DCM状态等面积控制方法：它通过控制实际电流在一个开关周期的时间积分面积与电流参考信号的时间积分面积相等,从而实现输入平均电流与参考电流的零误差谐波注入PWM：在PWM调制中注入二次谐波，以降低输入电流中的三次谐波含量，使THD从10%降低到5%,89,8.3CCM控制模式,CCM相对DCM其优点为:输入和输出电流纹波小、THD和EMI小、滤波容易RMS电流小、器件导通损耗小适用于大功率应用场合。直接电流控制的优点是电流瞬态特性好,自身具有过流保护能力，但需要检测瞬态电流，控制电路复杂。间接电流控制的优点是结构简单、开关机理清晰。,90,8.3.1直接控制法,将输入电压信号与输出电压误差信号相乘后作为电流控制器的电流给定信号，电流控制器控制输入电流按给定信号变化。根据控制器控制方式的不同，较典型的控制方式有峰值电流控制、平均电流控制和滞环电流控制等,91,8.3.1.1峰值电流控制,将输入电