揭秘三相功率因數校正 (PFC) 拓撲結構
三相功率因數校正 (PFC) 系統(或也稱(chēng)為有源整流或有源前端系統)正引起極大的關(guān)注,近年來(lái)需求急劇增加。推動(dòng)這一趨勢的主要因素有兩個(gè)。本文為系列文章的第一部分,將主要介紹三相功率因數校正系統的優(yōu)點(diǎn)。
本文引用地址:http://dyxdggzs.com/article/202406/459910.htm圖1總結了一些需要PFC前端的常見(jiàn)應用。首先是汽車(chē)電子,經(jīng)過(guò)幾年的發(fā)展,該領(lǐng)域增長(cháng)動(dòng)力強勁,預計未來(lái)五年的復合年增長(cháng)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(dòng)汽車(chē)的發(fā)展步伐,以有效推動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)的普及。這些 AC/DC 轉換系統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(zhù) EV 快速充電接近 400 kW,PFC 級正在成為直流充電關(guān)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(cháng)市場(chǎng),例如用于電網(wǎng)儲能系統 (ESS) 的雙向轉換器和用于工業(yè)場(chǎng)所和數據中心的大型不間斷電源 (UPS)。此外,隨著(zhù)連接到電網(wǎng)的開(kāi)關(guān)電源系統的增加,對于電磁干擾限制和諧波失真的監管也越來(lái)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(dòng)三相 PFC 拓撲結構普及的第二個(gè)驅動(dòng)因素是碳化硅 (SiC) 功率半導體的出現。SiC 器件具有更高的擊穿電壓和更低的開(kāi)關(guān)損耗,相比于硅基開(kāi)關(guān),可在更高頻的情況下實(shí)現高效率,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(dòng)車(chē)充電AC/DC 轉換中使用三相PFC的需求激增。
推動(dòng)使用三相 PFC 的其他應用包括用于工業(yè)場(chǎng)所和數據中心的儲能系統 (ESS) 和不間斷電源 (UPS)。
本文介紹了三相系統的主要優(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(chǎng)上常見(jiàn)的三相 PFC 升壓拓撲結構,并討論了它們的優(yōu)缺點(diǎn)??偟膩?lái)說(shuō),本文提供了有關(guān)如何從頭開(kāi)始了解三相 PFC 設計的指導,并介紹了如何根據應用要求選擇合適的拓撲結構。
三相系統的優(yōu)點(diǎn)是什么?
與單相配置相比,三相系統可實(shí)現更高功率的系統,具有更高的功率密度并減少每瓦特所需的布線(xiàn)、尺寸或重量。此外,三相系統提供恒定功率輸出,而單相系統具有可變輸出功率,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(有兩根電線(xiàn):相線(xiàn)和中性線(xiàn))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(shí)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(guān)展示了這些公式并揭示了單相系統的一個(gè)重要特征。瞬時(shí)輸出功率不是常數,而是VLine的函數。
圖2.單相電網(wǎng)的功率流
單相配電系統的另一個(gè)基本特征與功率密度有關(guān)。如果我們想在使用相同的導線(xiàn)橫截面或規格的情況下將功率增加三倍,我們需要將導線(xiàn)數量增加三倍:3 根相線(xiàn),3 根中性線(xiàn)。
對于平衡的三相配電系統,每個(gè)電壓都與其他電壓有 ±120° 的相移。如果對這 3 個(gè)電壓求和,可以得到:
(公式6)
如果使用向量模型來(lái)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(gè)等邊三角形。
這個(gè)公式的結果是,只有 3 根電線(xiàn)承載 3 個(gè)正弦電壓,它們之間的相移為 ±120°,不需要中性線(xiàn)。我們可以?xún)H用 3 根電線(xiàn)而不是 6 根(使用 3 個(gè)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(xiàn)量。
這種 ±120° 相移的另一個(gè)結果體現在連接到每條線(xiàn)路的 3 個(gè)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(lèi)似的結果):
(公式7)
可以簡(jiǎn)化為:
(公式8)
現在,任何時(shí)候可用的功率量都是恒定的,等于平均單相系統功率的 3 倍。因此,不同于單相 PFC,三相 PFC 無(wú)需大型無(wú)源存儲元件(電感器、電容器)來(lái)過(guò)濾瞬時(shí)功率和提供恒定功率。圖 3 展示了這種特性,與單相系統形成對比。
圖3.三相電網(wǎng)的功率流
為什么我們需要在三相系統中使用PFC?
過(guò)去,負載基本上是線(xiàn)性的(電阻器、電感器或電容器)。如果施加到三相配電系統的三個(gè)負載相同,則稱(chēng)系統達到“平衡”,三相系統電流之和為零。如前一章所述,在這種情況下不需要中性線(xiàn)連接。
如今,負載集成了二極管和晶體管等非線(xiàn)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(shí)會(huì )由于系統中的瞬變而對每個(gè)相位施加不同的負載。這會(huì )導致不平衡的三相系統。沒(méi)有中性線(xiàn),電壓中點(diǎn)不平衡且不等于零,導致每條線(xiàn)路中的電壓幅值不相等,并可能出現過(guò)壓/欠壓故障。
一個(gè)常見(jiàn)的想法是,三相連接的負載會(huì )自動(dòng)平衡,不需要PFC。對于電源之類(lèi)的非線(xiàn)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,以最大化功率因數并使其盡可能接近 1。來(lái)自交流電網(wǎng)的線(xiàn)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。所有三相電流的形狀應與三相電壓的形狀相同。此外,三相系統電流也必須平衡(即電流之和應為零)。因此,在三相系統中,PFC 會(huì )調節出與電壓盡可能同相的三平衡正弦電流,與單相系統相比,這帶來(lái)了另一層復雜性。
供電趨勢
正如我們所看到的,隨著(zhù)功率容量的增加和新應用的出現,三相系統明顯在配電和功率轉換方面具有優(yōu)勢,這促進(jìn)了它的普及,并且現在正隨著(zhù)新趨勢的出現而加速發(fā)展。首先,三相系統的功率密度更高,因為三線(xiàn)允許的功率是單相雙線(xiàn)配電的 3 倍。
其次,如果我們假設一個(gè)恒定的線(xiàn)性負載或一個(gè) PFC 前端,三相配電可以提供恒定的輸入水平(圖3綠色實(shí)線(xiàn)),而單相配電的輸入是一個(gè)幅值最大為2倍平均功率的正弦波形(圖 2紫色虛線(xiàn))。為了將該波形重塑為恒定值,需要一個(gè)大的低頻存儲元件來(lái)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,會(huì )限制系統的壽命。
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