为@@了满足应用@@的要求@@，为@@PFC选择的拓扑结构是一个重要考虑因素@@，它们将决定整体的解决方案和@@性能@@。此外@@，并非所有@@拓扑结构都可以满足所有@@要求@@，就像@@并非所有@@拓扑结构都支持三电平开关@@或@@双向@@性@@。之前我们介绍过三相@@功率因数校正系统的优点和@@设计三相@@@@PFC时的注意事项@@，本文将介绍一些常见的三相@@拓扑@@结构并讨论它们的优缺点@@。
Vienna整流器@@（三开关@@升压@@@@）
在@@深入研究@@Vienna整流器@@的技术@@细节和@@特征之前@@，有@@必要了解一下它的历史@@，但更重要的是@@，我们要就所讨论的内容达成共识@@。Vienna整流器@@是一种脉宽调制整流器@@@@，由@@ Johann W. Kolar于@@1993年发明@@。在@@Kolar发明它之前@@，人们使用@@每相单相@@@@（带或@@不带中性线@@）和@@负载共享来平衡相电流@@。如今@@，“Vienna”一词通常主要指三相@@@@AC/DC转换器@@，但有@@时也指@@DC/AC或@@逆变器@@。例如@@，中性点钳位@@ (NPC) 和@@T−NPC三电平拓扑结构有@@时被称为@@@@“Vienna”，即@@使作为@@逆变器工作时也是如此@@。在@@讨论所谓的@@“Vienna”转换器@@时@@，建议确定是哪一种@@“Vienna”。
关于@@@@“Vienna”整流器@@的特性@@，它是一种三相@@连接升压@@@@PFC，如图@@@@7所示@@。单相@@升压@@@@PFC由@@电感@@、开关@@器件@@和@@整流二极管@@@@组成@@@@。在@@三电平结构中@@，每个半波或@@每个母线电压@@（不包括中间的公共接地@@）都有@@一个@@“升压@@”整流二极管@@@@ (DxBy)。然后@@，有@@一个双向@@开关@@@@， 由@@一个全波二极管@@整流桥@@（DxPy和@@DxZy）和@@其中的单向开关@@@@ (Qx)组成@@。我们得到如下原理图@@@@@@。
图@@7. Vienna PFC原理图@@@@
开关@@Qx的额定电压为@@@@@@600V或@@650V。所有@@二极管@@@@的额定电压也可以为@@@@@@600V。这将有@@助于@@减少损耗@@@@，因为@@不需要额定电压为@@@@@@1200V的器件@@@@。另一方面@@，二极管@@损耗@@很重要@@。电流路径@@中始终有@@两个串联@@的高频二极管@@@@。对于@@@@这些二极管@@@@，始终要在@@压降和@@反向@@恢复之间进行折衷@@。
对于@@@@PWM，它非常简单@@，因为@@每相只有@@一个开关@@@@@@。在@@反向@@@@Clark和@@Park帕克反向@@变换之后@@，调制直接应用@@于@@开关@@@@。但是@@，根据输入的正弦波方向@@，电流路径@@会发生变化@@。根据输入电压符号和@@@@/或@@电流方向@@/流动@@，二极管@@整流桥和@@@@“升压@@”二极管@@“自动@@”参与@@电流路径@@@@。这在@@图@@@@8中得到了很好的说明@@。
图@@8.Vienna升压@@PFC电流路径@@（用于@@存储和@@释放@@能量模式@@）和@@相电压@@
如前所述@@，由@@于@@@@电流分别从一相或@@两相流向其余两相或@@一相@@，因此@@上图@@仅画出一条支路@@（或@@一相原理图@@@@@@）。根据运行的扇区@@，可以使用@@上述方案导出每个相@@（U、V 或@@ W）的两种模式@@（相电压先将能量存储在@@升压@@电感器@@中@@，然后@@将能量释放到输出电容@@）。
这种@@拓扑结构的主要优点是每相使用@@一个开关@@@@@@。即@@使原理图@@@@看起来因所涉及的二极管@@数量而变得更加复杂@@，但它能使控制变得更加容易@@。该拓扑结构的成本也很低@@，因为@@开关@@数量非常少@@。该拓扑结构是单向的@@。
这种@@拓扑结构的一个主要缺点是二极管@@数量多@@。电流路径@@中始终有@@两个二极管@@@@，这会影响效率@@。所有@@驱动器都是@@浮地的@@，需要特定的浮动电源@@。
开关@@的选择可以根据功率级别@@，采用@@ 超结@@MOSFET或@@ IGBT。对于@@@@更高频率的操作和@@@@/或@@更小的尺寸@@，也可以使用@@@@SiC MOSFET。对于@@@@二极管@@@@，建议使用@@硅@@STEALTH™ 2 或@@SiC二极管@@。
T−NPC升压@@
不同于@@@@“Vienna整流器@@（三开关@@升压@@@@）”部分介绍的原版@@“Vienna”，T型中性点箝位@@ (T−NPC) 以不同方式实现双向@@开关@@@@。T-NPC不是使用@@整流桥将单向开关@@转换为@@双向@@开关@@@@，而是使用@@背靠背开关@@配置@@，如图@@@@9所示@@。当开关@@未导通且电流与@@此开关@@的正常开关@@电流相比@@以@@“反向@@”方向流动@@时@@，也可以从体二极管@@导通@@。像@@IGBT这样的双极器件@@就是这种@@情况@@。使用@@MOSFET等单极器件@@@@，如果需要@@，可以打开开关@@以减少导通损耗@@@@。
图@@9.T−NPC升压@@PFC原理图@@@@
开关@@Qxy的额定电压为@@@@@@600V或@@650V。二极管@@DxBy额定电压为@@@@1200V。188足彩外围@@app
数量比原来的@@Vienna PFC少得多@@。导通损耗@@要低得多@@，因为@@一次只有@@一个二极管@@串联@@在@@电流回路中@@。但是@@，由@@于@@@@“升压@@”二极管@@是@@1200V器件@@，开关@@损耗@@略大于@@@@600V二极管@@。由@@于@@@@二极管@@少得多@@@@，因此@@很难预测哪种拓扑结构具有@@最佳效率@@。实际上@@，由@@于@@@@二极管@@数量较少@@，这种@@T−NPC拓扑结构具有@@更好的效率@@。图@@10突出显示了其中一相的电流路径@@@@。
图@@10.T−NPC升压@@PFC电流路径@@（用于@@存储和@@释放@@能量模式@@）和@@相电压@@
同样的反馈方法可以在@@这里与@@@@Clark和@@Park帕克直接和@@反向@@变换使用@@@@，以获得@@PWM信号@@。
由@@于@@@@两个背靠背开关@@共享相同的发射极或@@源极引脚节点@@，因此@@驱动器可以直接在@@控制环路之外使用@@相同的@@PWM信号@@驱动两个背靠背开关@@@@。否则@@@@，根据正弦波符号@@（正或@@负@@），需要驱动相应的开关@@@@。在@@这种@@情况下@@，有@@6个开关@@@@要驱动@@。这使得驱动正确开关@@的@@PWM解码方案稍微复杂一些@@@@。
在@@这两种情况下@@，驱动器都需要像@@原版@@Vienna那样是浮地的@@。
这种@@拓扑结构的一个优点是有@@源@@188足彩外围@@app 要少得多@@@@。对于@@@@原版@@Vienna，每相有@@@@6个有@@源@@188足彩外围@@app 。如果我们将体二极管@@视为@@开关@@的一部分@@，则@@T−NPC中每相只有@@@@4个有@@源@@188足彩外围@@app 。另一个优势是较低的导通损耗@@@@，使这种@@拓扑结构更适合更高的功率@@。
T−NPC的主要缺点是需要@@1200V二极管@@。这可能会抵消较低的导通损耗@@带来的效率增益@@，并可能影响总体成本@@。
T−NPC结构也用作逆变器@@。在@@这种@@情况下@@，“升压@@”二极管@@被开关@@取代@@，如图@@@@11所示@@。与@@PFC相比@@，输出方向是相反的@@。这样全部开关@@器件@@都是@@可双向@@工作的@@T-NPC拓扑就可以做到双向@@功率传输@@，由@@控制回路定义传输方向@@。
图@@11.双向@@T−NPC升压@@PFC原理图@@@@
NPC和@@A−NPC升压@@
双向@@开关@@的实现方案再次发生变化@@。NPC拓扑结构使用@@两个开关@@@@@@，分别用于@@每个@@（正或@@负@@）正弦波半周期@@。二极管@@桥现在@@是一个混合桥@@，结合了二极管@@和@@开关@@管@@，如图@@@@12所示@@。两个前端二极管@@用作一种@@“变速箱@@”，用于@@切换正相或@@负相周期@@。然后@@，连接到输出端的二极管@@和@@接地的开关@@管用作升压@@开关@@单元@@。这是显而易见的@@，因为@@此处描述的所有@@拓扑结构@@（Vienna、T-NPC和@@NPC）都在@@升压@@模式下运行@@。
图@@12.NPC升压@@PFC原理图@@@@
开关@@Qxy的额定电压为@@@@@@600V或@@650V。所有@@二极管@@@@（DxBy和@@DxPy）的额定电压也可以为@@@@600V或@@650V。这将有@@助于@@减少损耗@@@@，因为@@不需要额定电压为@@@@@@1200V的器件@@@@。另一方面@@，在@@电流路径@@中总是有@@两个组件@@ {即@@1个二极管@@与@@@@（1个二极管@@或@@@@1个开关@@@@）} 串联@@。这种@@NPC拓扑结构比@@T-NPC具有@@更高的导通损耗@@@@。
同样的反馈方法可以在@@这里与@@@@Clark和@@Park帕克直接和@@反向@@变换使用@@@@，以获得@@PWM信号@@。
这里的@@3个开关@@@@是浮地的@@，需要浮地的栅极驱动@@。其他@@3个开关@@@@接地@@，它们不需要浮地驱动器@@。这可以视为@@一种优势@@，但这种@@优势可能被两个原因影响@@。首先@@，根据功率水平@@，可能需要开尔文引脚到开关@@节点来驱动开关@@并提高@@效率@@。其次@@，为@@避免电流谐波@@，要求正负正弦波相位对称运行@@。这意味着浮动和@@接地栅极驱动信号@@应具有@@相同的延迟@@。因此@@，出于@@这个原因@@，浮动开关@@和@@接地开关@@通常使用@@相同的驱动原理图@@@@@@。
根据正弦波极性@@（正或@@负@@），需要驱动相应的开关@@@@。这使得驱动正确开关@@的@@PWM解码方案比三开关@@@@Vienna稍微复杂一些@@。此拓扑结构的电流路径@@如图@@@@@@13所示@@。
图@@13.Vienna升压@@PFC电流路径@@（用于@@存储和@@释放@@能量模式@@）和@@相电压@@
由@@于@@@@没有@@@@1200V二极管@@，这种@@拓扑结构在@@损耗@@方面具有@@明显优势@@，与@@原版@@ Vienna 相比@@，组件更少@@。驱动器配对和@@延迟匹配很关键@@，可以看作是一个缺点@@。
在@@这种@@结构中@@，用开关@@代替二极管@@也使拓扑结构成为@@双向@@的@@，如图@@@@14所示@@。这种@@结构称为@@@@A−NPC（有@@源中性点钳位@@@@）。
图@@14.双向@@NPC升压@@PFC原理图@@@@，也称为@@@@A-NPC升压@@PFC
半桥@@PFC升压@@
6-switch、6-Pack， 或@@称三相@@半桥@@逆变被广泛用于@@驱动电机@@@@，尤其是@@ BLDC 电机@@。当电机@@制动时@@，能量从电机@@的旋转中拉出并存储在@@总线电容器中@@。逆变器以反向@@模式工作@@，为@@电机@@轴提供动力@@。它与@@@@PFC的功率流相同@@。电源从三相@@电源流向直流母线@@。在@@这种@@断路运行模式下@@，电机@@电感器@@用作@@“升压@@”电感器@@。这种@@电机@@制动模式与@@@@PFC模式的区别在@@于@@控制回路给出的控制策略@@。因此@@，6-switch PFC与@@反向@@模式下的电机@@逆变器原理图@@@@相同@@（其中负载是源@@，反之亦然@@）。如图@@@@15所示@@，它是最简单的拓扑结构@@。所有@@开关@@@@ (Qxy) 都是@@1200V器件@@。在@@任何时候@@，功率流中每相只有@@@@一个开关@@@@@@。这是一种效率上的优势@@，可以弥补额定为@@@@1200V的器件@@@@的不足@@。它也是一个@@ 两电平拓扑结构@@。所以@@，调制是直接的@@。如今@@，一些额定电压为@@@@@@900V的器件@@@@也可用于@@此拓扑结构@@。那些@@ 900 V 器件@@的性能优于@@@@1200V器件@@。这有@@助于@@减少@@650V以上的开关@@器件@@的缺点@@。
图@@15.双向@@三相@@半桥@@两电平升压@@@@PFC
由@@于@@@@我们有@@@@3个接地的半桥@@@@，使用@@半桥@@驱动器构建驱动器要容易得多@@，并且可以使用@@自举等技术@@来创建浮动电源@@。这使用@@众所周知且广泛使用@@@@（在@@电机@@控制应用@@中@@）的技术@@简化了原理图@@@@@@。为@@了更好地理解@@，图@@16显示了返回和@@正向路径@@。由@@于@@@@没有@@@@中间点@@（因为@@它是两电平拓扑结构@@@@），电流路径@@在@@这种@@情况下@@不是很明显@@。
图@@16.用于@@存储和@@释放@@（升压@@）能量模式和@@相电压@@的三相@@半桥@@升压@@@@ PFC 电流路径@@
可提供用于@@电机@@驱动的功率模块@@，也可用于@@超高功率应用@@的@@ PFC 应用@@。此拓扑结构本质上是完全双向@@的@@。如本文开头所述@@，主要缺点主要是与@@两电平拓扑结构@@的客观优缺点有@@关@@。
并联@@单相@@带中性线@@
相比@@于@@使用@@具有@@复杂控制@@（通常需要数字控制器@@）的专用三相@@拓扑@@结构@@，一种更简单的替代方法是使用@@三个具有@@中性线连接的单相@@@@PFC，如图@@@@17所示@@。在@@此配置中@@，如果系统不平衡@@，中性线是必不可少的@@，即@@使三个单相@@@@@@PFC连接到负载分配控制以在@@三相@@之间平均分配功率也是如此@@。
图@@17.三相@@PFC使用@@3个单相@@@@PFC并联@@
由@@于@@@@单相@@@@PFC非常流行@@，以这种@@方式使用@@似乎更容易@@。有@@人认为@@三个独立转换器@@的优势体现在@@发生故障的时候@@：即@@使一个失效@@，仍有@@两个可用@@。如果故障不扰乱电网@@@@，那确实如此@@。例如@@，如果输入级出现短路故障@@，并且这种@@短路会在@@保险丝熔断之前以某种方式传输到电网@@@@。如果它扰乱了电网@@并且中性点在@@此故障期间发生了变化@@，则@@可以向剩余的@@@@PFC施加完整的相间电压@@。为@@避免失效@@，剩余的@@PFC将不得不维持此瞬态电压@@，这会增加@@PFC损耗@@、尺寸和@@成本@@。
这种@@结构的优点是设计起来简单得多@@，因为@@单相@@@@PFC被广泛使用@@@@。但是@@，由@@于@@@@需要使用@@中性线@@，使得配电网@@络更加昂贵并且不是最优的@@。此外@@，单相@@PFC无法处理几千瓦以上的功率@@。若要处理更高的功率@@，需要并联@@@@。
三相@@拓扑@@结构总结@@
表@@1总结了每种拓扑结构在@@前面讨论的设计标准方面的优缺点@@。
表@@ 1.本文中讨论的通用拓扑结构的优缺点总结@@
结论@@
三相@@PFC系统很复杂@@，有@@多种可能的设计来满足相同的电气要求@@，需要考虑的范围很广@@，需要权衡取舍@@。要为@@每个应用@@找到最佳解决方案并非易事@@，需要系统层面和@@组件层面的系统专业知识@@。
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本文转载自@@：安森美@@