三相PFC拓扑及其双向运行讨论

硬件笔记本 · 发表于 2025-1-8 07:30:00

在大功率电源应用中，三相PFC整流器必不可少，今天讨论一下三相PFC拓扑方面的问题，三相六开关 PWM 整流器或三相两电平PFC，如图 6所示，它具有非常简单的电路拓扑结构，所以易于控制，主要特点是它方便双向大功率流控制，并且可以以合理的效率下实现高功率因数，在一些双向功率控制应用中应用广泛。

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由于该拓扑是两电平拓扑，也就是说对于一个功率MOSFET来说，它的两端电压只有两种电平，或者是输出电压Vout，或者是0电压，因此它在应用上需要相对高压阻断开关，可以阻断整个直流链路的电压。
例如，在 800V直流母线电压的应用下，需要1200V 额定阻断能力的开关 (SiC
MOSFET)放在功率级，因为开关损耗与工作电压有关，如果工作电压增加，功率损耗，包括开关损耗和导通损耗也会增加，导致温升增加，并且会影响功率级中使用的半导体和无源器件的长期可靠性
，是这种拓扑结构的缺点之一。
另一个缺点是电路所需的滤波电感体积庞大，用它调节输入电流的THD 为一个较低的值。因此，三相六开关的功率密度与其它竞争力强的多电平 PFC 相比，比较低，例如比三相维也纳PFC低。

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三相维也纳PFC整流器，如图7，于1993 年在维也纳技术大学开发，用于避免在单向整流中发生低频电源电流谐波，仅通过在进入三相二极管电桥的每个相桥臂上，插入可关断功率半导体开关。
三相维也纳PFC整流器电源拓扑用于大功率、
三相功率因数校正应用。因其在CCM模式中运行而广受欢迎，源于它固有的多电平开关（三电平）拓扑，同时也是由于功率开关（MOSFET）阻断电压的选择比较低，由于开关串接在相电感和输出电压中点之间，实际上它只需要阻断一半的输出直流母线电压，而不是总输出直流电压。
例如，在一个800V 直流母线电压应用，仅需要阻断能力 600V 额定电压的MOSFET（Si或者SiC），这样使用低压功率器件，它减少了功率损耗，最终减少散热冷却要求，这就增加了功率密度，
对于高功率应用来说比较有优势。此外，它大约需要的相电感仅为两电平BOOST PFC电路电感的一半。除了电压的多电平特征，还提供更好的THD性能。
这种拓扑结构的唯一缺点是，它仅支持单向模式运行，把来自电网的电力传输到直流输出侧，另外，中点电压的控制复杂度比较高。图 8 所示的三相T型转换器，是一个改进的三相维也纳拓扑，以便获得双向功率传输能力，也是一种两电平PWM 整流器的改进，使其具有三电平特征，以便在逆变模式下减少谐波。
对于 800V 直流母线电压而言，每个相上半桥高边和低边通常采用1200V阻断全电压的 IGBT或者SiC MOSFET来实现。不同的是，串到直流母线中点的双向开关只需阻断一半的直流母线电压即可，因此，它可以用具有较低耐压的功率器件来实现，如两个额定值600V左右的IGBT（包括反并联二极管）或者SiC MOSFET。由于阻断电压降低，中点开关显示出非常低的开关损耗和可接受的导通损耗。

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总的来说，为了设计一个高功率密度的大功率电源，单相拓扑并不是好的选择，因此，必然选择的是三相拓扑，并基于上面的讨论，如果PFC整流器不需要提供双向功率流，三相维也纳PFC在效率、功率因数和功率密度方面表现出色,当需要双向功率控制时，如V2G 或V2V，可以通过上述三电平T型拓扑实现。

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