揭秘三相功率因數(shù)校正 (PFC) 拓撲結構

三相功率因數(shù)校正 (PFC) 系統(tǒng)（或也稱為有源整流或有源前端系統(tǒng)）正引起極大的關注，近年來需求急劇增加。推動這一趨勢的主要因素有兩個。本文為系列文章的第一部分，將主要介紹三相功率因數(shù)校正系統(tǒng)的優(yōu)點。

圖1總結了一些需要PFC前端的常見應用。首先是汽車電子，經(jīng)過幾年的發(fā)展，該領域增長動力強勁，預計未來五年的復合年增長率將達到 30%。充電基礎設施，尤其是快速直流 EV 充電樁，需要跟上電動汽車的發(fā)展步伐，以有效推動電動汽車的普及。這些 AC/DC 轉換系統(tǒng)需要在前端使用三相 PFC 拓撲結構，以高效且有效地提供 10 kW 以上的功率。隨著 EV 快速充電接近 400 kW，PFC 級正在成為直流充電關鍵的一環(huán)。除了 EV 充電之外，還有其他用到三相電的高增長市場，例如用于電網(wǎng)儲能系統(tǒng) (ESS) 的雙向轉換器和用于工業(yè)場所和數(shù)據(jù)中心的大型不間斷電源 (UPS)。此外，隨著連接到電網(wǎng)的開關電源系統(tǒng)的增加，對于電磁干擾限制和諧波失真的監(jiān)管也越來越嚴格，例如 IEC?6100?3/12。PFC 通常是減少干擾和諧波含量的解決方案之一。

推動三相 PFC 拓撲結構普及的第二個驅動因素是碳化硅 (SiC) 功率半導體的出現(xiàn)。SiC 器件具有更高的擊穿電壓和更低的開關損耗，相比于硅基開關，可在更高頻的情況下實現(xiàn)高效率，因此能在尺寸、成本和性能方面提供全面的解決方案。SiC MOSFET 和二極管正在為電力電子器件提供更高功率和更高電壓的應用。

圖1. 在電動車充電AC/DC 轉換中使用三相PFC的需求激增。

推動使用三相 PFC 的其他應用包括用于工業(yè)場所和數(shù)據(jù)中心的儲能系統(tǒng) (ESS) 和不間斷電源 (UPS)。

本文介紹了三相系統(tǒng)的主要優(yōu)勢，并深入探討了三相 PFC 的基本設計注意事項。此外，還介紹了市場上常見的三相 PFC 升壓拓撲結構，并討論了它們的優(yōu)缺點?？偟膩碚f，本文提供了有關如何從頭開始了解三相 PFC 設計的指導，并介紹了如何根據(jù)應用要求選擇合適的拓撲結構。

三相系統(tǒng)的優(yōu)點是什么？

與單相配置相比，三相系統(tǒng)可實現(xiàn)更高功率的系統(tǒng)，具有更高的功率密度并減少每瓦特所需的布線、尺寸或重量。此外，三相系統(tǒng)提供恒定功率輸出，而單相系統(tǒng)具有可變輸出功率，通常需要大型低頻濾波器為負載供電。

如果看一下單相配電系統(tǒng)（有兩根電線：相線和中性線）提供給特定電壓 (VRMS) 和負載 (R) 的功率，可以得到：

（公式1）

并且

（公式2）  

如果將電壓和電流相乘得到瞬時功率并取平均值，可以得到：

（公式3）

并且

（公式4）

或

（公式5）

圖2直觀展示了這些公式并揭示了單相系統(tǒng)的一個重要特征。瞬時輸出功率不是常數(shù)，而是VLine的函數(shù)。

圖2.單相電網(wǎng)的功率流

單相配電系統(tǒng)的另一個基本特征與功率密度有關。如果我們想在使用相同的導線橫截面或規(guī)格的情況下將功率增加三倍，我們需要將導線數(shù)量增加三倍：3 根相線，3 根中性線。

對于平衡的三相配電系統(tǒng)，每個電壓都與其他電壓有 ±120° 的相移。如果對這 3 個電壓求和，可以得到：

（公式6）

如果使用向量模型來表示電壓，然后將它們相加，將始終獲得零的結果。這些向量代表一個等邊三角形。

這個公式的結果是，只有 3 根電線承載 3 個正弦電壓，它們之間的相移為 ±120°，不需要中性線。我們可以僅用 3 根電線而不是 6 根（使用 3 個單相連接）承載 3 倍的功率。這大大減少了承載相同功率所需的布線量。

這種 ±120° 相移的另一個結果體現(xiàn)在連接到每條線路的 3 個負載 R 所接收到的功率（在 △ 或 Y 配置中）。對于 Y 配置，我們得到以下公式（△ 配置也可以得到類似的結果）：

（公式7）

可以簡化為：

（公式8）

現(xiàn)在，任何時候可用的功率量都是恒定的，等于平均單相系統(tǒng)功率的 3 倍。因此，不同于單相 PFC，三相 PFC 無需大型無源存儲元件（電感器、電容器）來過濾瞬時功率和提供恒定功率。圖 3 展示了這種特性，與單相系統(tǒng)形成對比。

圖3.三相電網(wǎng)的功率流

為什么我們需要在三相系統(tǒng)中使用PFC？

過去，負載基本上是線性的（電阻器、電感器或電容器）。如果施加到三相配電系統(tǒng)的三個負載相同，則稱系統(tǒng)達到“平衡”，三相系統(tǒng)電流之和為零。如前一章所述，在這種情況下不需要中性線連接。

如今，負載集成了二極管和晶體管等非線性器件。輸入電流形狀可能與正弦波形有很大不同。最重要的是，如果我們不小心，有時會由于系統(tǒng)中的瞬變而對每個相位施加不同的負載。這會導致不平衡的三相系統(tǒng)。沒有中性線，電壓中點不平衡且不等于零，導致每條線路中的電壓幅值不相等，并可能出現(xiàn)過壓/欠壓故障。

一個常見的想法是，三相連接的負載會自動平衡，不需要PFC。對于電源之類的非線性負載，情況并非如此。

與單相電壓分配一樣，為了優(yōu)化輸送到負載的功率，電流需要與電壓具有相同的形狀，以最大化功率因數(shù)并使其盡可能接近 1。來自交流電網(wǎng)的線路電壓是正弦波，因此電流應該也是這樣。這同樣適用于三相系統(tǒng)。所有三相電流的形狀應與三相電壓的形狀相同。此外，三相系統(tǒng)電流也必須平衡（即電流之和應為零）。因此，在三相系統(tǒng)中，PFC 會調節(jié)出與電壓盡可能同相的三平衡正弦電流，與單相系統(tǒng)相比，這帶來了另一層復雜性。

供電趨勢

正如我們所看到的，隨著功率容量的增加和新應用的出現(xiàn)，三相系統(tǒng)明顯在配電和功率轉換方面具有優(yōu)勢，這促進了它的普及，并且現(xiàn)在正隨著新趨勢的出現(xiàn)而加速發(fā)展。首先，三相系統(tǒng)的功率密度更高，因為三線允許的功率是單相雙線配電的 3 倍。

其次，如果我們假設一個恒定的線性負載或一個 PFC 前端，三相配電可以提供恒定的輸入水平（圖3綠色實線），而單相配電的輸入是一個幅值最大為2倍平均功率的正弦波形（圖 2紫色虛線）。為了將該波形重塑為恒定值，需要一個大的低頻存儲元件來濾波并向負載提供恒定功率。這種存儲元件（通常是電解電容器）體積龐大，是單相 PFC 的薄弱環(huán)節(jié)，會限制系統(tǒng)的壽命。