常見三相PFC結構的優缺點分析，一文get√

為了滿足應用的要求，為PFC選擇的拓撲結構是一個重要考慮因素，它們將決定整體的解決方案和性能。此外，并非所有拓撲結構都可以滿足所有要求，就像并非所有拓撲結構都支持三電平開關或雙向性。本文將介紹一些常見的三相拓撲結構并討論它們的優缺點。

Vienna整流器（三開關升壓）

在深入研究Vienna整流器的技術細節和特征之前，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容達成共識。Vienna整流器是一種脈寬調制整流器，由 Johann W. Kolar于1993年發明。在Kolar發明它之前，人們使用每相單相（帶或不帶中性線）和負載共享來平衡相電流。如今，“Vienna”一詞通常主要指三相AC/DC轉換器，但有時也指DC/AC或逆變器。例如，中性點鉗位 (NPC) 和T?NPC三電平拓撲結構有時被稱為“Vienna”，即使作為逆變器工作時也是如此。在討論所謂的“Vienna”轉換器時，建議確定是哪一種“Vienna”。

關于“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、開關器件和整流二極管組成。在三電平結構中，每個半波或每個母線電壓（不包括中間的公共接地）都有一個“升壓”整流二極管 (DxBy)。然后，有一個雙向開關， 由一個全波二極管整流橋（DxPy和DxZy）和其中的單向開關 (Qx)組成。我們得到如下原理圖。

圖7. Vienna PFC原理圖

開關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，因為不需要額定電壓為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串聯的高頻二極管。對于這些二極管，始終要在壓降和反向恢復之間進行折衷。

對于PWM，它非常簡單，因為每相只有一個開關。在反向Clark和Park帕克反向變換之后，調制直接應用于開關。但是，根據輸入的正弦波方向，電流路徑會發生變化。根據輸入電壓符號和/或電流方向/流動，二極管整流橋和“升壓”二極管“自動”參與電流路徑。這在圖8中得到了很好的說明。

圖8.Vienna升壓PFC電流路徑（用于存儲和釋放能量模式）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，因此上圖僅畫出一條支路（或一相原理圖）。根據運行的扇區，可以使用上述方案導出每個相（U、V 或 W）的兩種模式（相電壓先將能量存儲在升壓電感器中，然后將能量釋放到輸出電容）。

這種拓撲結構的主要優點是每相使用一個開關。即使原理圖看起來因所涉及的二極管數量而變得更加復雜，但它能使控制變得更加容易。該拓撲結構的成本也很低，因為開關數量非常少。該拓撲結構是單向的。

這種拓撲結構的一個主要缺點是二極管數量多。電流路徑中始終有兩個二極管，這會影響效率。所有驅動器都是浮地的，需要特定的浮動電源。

開關的選擇可以根據功率級別，采用 超結MOSFET或 IGBT。對于更高頻率的操作和/或更小的尺寸，也可以使用SiC MOSFET。對于二極管，建議使用硅STEALTH? 2 或SiC二極管。

T?NPC升壓

不同于“Vienna整流器（三開關升壓）”部分介紹的原版“Vienna”，T型中性點箝位 (T?NPC) 以不同方式實現雙向開關。T-NPC不是使用整流橋將單向開關轉換為雙向開關，而是使用背靠背開關配置，如圖9所示。當開關未導通且電流與此開關的正常開關電流相比以“反向”方向流動時，也可以從體二極管導通。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，可以打開開關以減少導通損耗。

圖9.T?NPC升壓PFC原理圖

開關Qxy的額定電壓為600V或650V。二極管DxBy額定電壓為1200V。元件數量比原來的Vienna PFC少得多。導通損耗要低得多，因為一次只有一個二極管串聯在電流回路中。但是，由于“升壓”二極管是1200V器件，開關損耗略大于600V二極管。由于二極管少得多，因此很難預測哪種拓撲結構具有最佳效率。實際上，由于二極管數量較少，這種T?NPC拓撲結構具有更好的效率。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。

由于兩個背靠背開關共享相同的發射極或源極引腳節點，因此驅動器可以直接在控制環路之外使用相同的PWM信號驅動兩個背靠背開關。否則，根據正弦波符號（正或負），需要驅動相應的開關。在這種情況下，有6個開關要驅動。這使得驅動正確開關的PWM解碼方案稍微復雜一些。

在這兩種情況下，驅動器都需要像原版Vienna那樣是浮地的。

這種拓撲結構的一個優點是有源元件要少得多。對于原版Vienna，每相有6個有源元件。如果我們將體二極管視為開關的一部分，則T?NPC中每相只有4個有源元件。另一個優勢是較低的導通損耗，使這種拓撲結構更適合更高的功率。

T?NPC的主要缺點是需要1200V二極管。這可能會抵消較低的導通損耗帶來的效率增益，并可能影響總體成本。

T?NPC結構也用作逆變器。在這種情況下，“升壓”二極管被開關取代，如圖11所示。與PFC相比，輸出方向是相反的。這樣全部開關器件都是可雙向工作的T-NPC拓撲就可以做到雙向功率傳輸，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

雙向開關的實現方案再次發生變化。NPC拓撲結構使用兩個開關，分別用于每個（正或負）正弦波半周期。二極管橋現在是一個混合橋，結合了二極管和開關管，如圖12所示。兩個前端二極管用作一種“變速箱”，用于切換正相或負相周期。然后，連接到輸出端的二極管和接地的開關管用作升壓開關單元。這是顯而易見的，因為此處描述的所有拓撲結構（Vienna、T-NPC和NPC）都在升壓模式下運行。

圖12.NPC升壓PFC原理圖

開關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，因為不需要額定電壓為1200V的器件。另一方面，在電流路徑中總是有兩個組件 {即1個二極管與（1個二極管或1個開關）} 串聯。這種NPC拓撲結構比T-NPC具有更高的導通損耗。

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。

這里的3個開關是浮地的，需要浮地的柵極驅動。其他3個開關接地，它們不需要浮地驅動器。這可以視為一種優勢，但這種優勢可能被兩個原因影響。首先，根據功率水平，可能需要開爾文引腳到開關節點來驅動開關并提高效率。其次，為避免電流諧波，要求正負正弦波相位對稱運行。這意味著浮動和接地柵極驅動信號應具有相同的延遲。因此，出于這個原因，浮動開關和接地開關通常使用相同的驅動原理圖。

根據正弦波極性（正或負），需要驅動相應的開關。這使得驅動正確開關的PWM解碼方案比三開關Vienna稍微復雜一些。此拓撲結構的電流路徑如圖13所示。

圖13.Vienna升壓PFC電流路徑（用于存儲和釋放能量模式）和相電壓

由于沒有1200V二極管，這種拓撲結構在損耗方面具有明顯優勢，與原版 Vienna 相比，組件更少。驅動器配對和延遲匹配很關鍵，可以看作是一個缺點。

在這種結構中，用開關代替二極管也使拓撲結構成為雙向的，如圖14所示。這種結構稱為A?NPC（有源中性點鉗位）。

圖14.雙向NPC升壓PFC原理圖，也稱為A-NPC升壓PFC

半橋PFC升壓

6-switch、6-Pack， 或稱三相半橋逆變被廣泛用于驅動電機，尤其是 BLDC 電機。當電機制動時，能量從電機的旋轉中拉出并存儲在總線電容器中。逆變器以反向模式工作，為電機軸提供動力。它與PFC的功率流相同。電源從三相電源流向直流母線。在這種斷路運行模式下，電機電感器用作“升壓”電感器。這種電機制動模式與PFC模式的區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逆變器原理圖相同（其中負載是源，反之亦然）。如圖15所示，它是最簡單的拓撲結構。所有開關 (Qxy) 都是1200V器件。在任何時候，功率流中每相只有一個開關。這是一種效率上的優勢，可以彌補額定為1200V的器件的不足。它也是一個 兩電平拓撲結構。所以，調制是直接的。如今，一些額定電壓為900V的器件也可用于此拓撲結構。那些 900 V 器件的性能優于1200V器件。這有助于減少650V以上的開關器件的缺點。

圖15.雙向三相半橋兩電平升壓PFC

由于我們有3個接地的半橋，使用半橋驅動器構建驅動器要容易得多，并且可以使用自舉等技術來創建浮動電源。這使用眾所周知且廣泛使用（在電機控制應用中）的技術簡化了原理圖。為了更好地理解，圖16顯示了返回和正向路徑。由于沒有中間點（因為它是兩電平拓撲結構），電流路徑在這種情況下不是很明顯。

圖16.用于存儲和釋放（升壓）能量模式和相電壓的三相半橋升壓 PFC 電流路徑

可提供用于電機驅動的功率模塊，也可用于超高功率應用的 PFC 應用。此拓撲結構本質上是完全雙向的。如本文開頭所述，主要缺點主要是與兩電平拓撲結構的客觀優缺點有關。

并聯單相帶中性線

相比于使用具有復雜控制（通常需要數字控制器）的專用三相拓撲結構，一種更簡單的替代方法是使用三個具有中性線連接的單相PFC，如圖17所示。在此配置中，如果系統不平衡，中性線是必不可少的，即使三個單相PFC連接到負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個單相PFC并聯

由于單相PFC非常流行，以這種方式使用似乎更容易。有人認為三個獨立轉換器的優勢體現在發生故障的時候：即使一個失效，仍有兩個可用。如果故障不擾亂電網，那確實如此。例如，如果輸入級出現短路故障，并且這種短路會在保險絲熔斷之前以某種方式傳輸到電網。如果它擾亂了電網并且中性點在此故障期間發生了變化，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電壓，這會增加PFC損耗、尺寸和成本。

這種結構的優點是設計起來簡單得多，因為單相PFC被廣泛使用。但是，由于需要使用中性線，使得配電網絡更加昂貴并且不是最優的。此外，單相PFC無法處理幾千瓦以上的功率。若要處理更高的功率，需要并聯。

三相拓撲結構總結

表1總結了每種拓撲結構在前面討論的設計標準方面的優缺點。

表 1.本文中討論的通用拓撲結構的優缺點總結

結論

三相PFC系統很復雜，有多種可能的設計來滿足相同的電氣要求，需要考慮的范圍很廣，需要權衡取舍。要為每個應用找到最佳解決方案并非易事，需要系統層面和組件層面的系統專業知識。