设计三相@@PFC请务必优先考虑这几点@@！

judy — Mon, 25 Dec 2023 09:39:04 +0000

三相功率因数校正@@(PFC)系统@@（或@@也称为有源整流或@@有源前端系统@@@@）正引起极大的关注@@，近年来需求急剧增加@@。之前我们介绍了三相功率因数校正@@系统@@的优点@@。本文为系列文章的第二部分@@，将主要介绍设计三相@@@@PFC时@@的注意事项@@。

在@@设计三相@@@@PFC时@@应该考虑哪些关键方面@@？

对于@@三相@@PFC，有多种拓扑结构@@@@，具体可根据应用要求而定@@。不同的应用在@@功率流方向@@、尺寸@@、效率@@、环境条件和@@成本限制等参数方面会有所不同@@。在@@实施三相@@PFC系统@@时@@@@，设计人员应考虑几个注意事项@@。以下是一些@@尤其需要注意的事项@@：

单极还是双极@@（两电平或@@三电平@@）

调制方案@@

开关频率@@vs功率器件@@

热管理和@@损耗管理@@

双向传输和@@输出方向优化@@

拓扑结构@@

这些方面都会影响我们系统@@的结果和@@整体性能@@，因此@@它们对于@@满足应用的要求至关重要@@。在@@下面的讨论中@@@@，我们假设输入电压为三相@@400VAC（EU）或@@480VAC（USA）。

单极或@@双极@@（两电平或@@三电平@@）

第一个关键决定是使用@@两电平还是三电平拓扑结构@@@@。这对效率@@有很大影响@@，主要包括开关和@@二极管@@中@@的开关损耗@@@@、电感器中@@的高频损耗@@，以及@@EMI。这还会极大影响拓扑结构@@@@，因为并非所有拓扑结构@@都支持三电平功能@@。

图@@4和@@图@@@@5显示了二电平和@@三电平开关之间的区别@@。

图@@4.单电平或@@两电平开关原理@@

图@@5.两电平或@@三电平@@开关原理@@

三电平拓扑结构@@的优点包括@@：

1. 开关损耗@@减小@@。通常@@，开关损耗@@与@@施加到开关和@@二极管@@的电压的二次方成正比@@（开关损耗@@αVSwitch or Diode2）。在@@三电平拓扑结构@@中@@@@，只有一半的总输出电压被施加到@@（一些@@）开关或@@@@（一些@@）二极管@@。

2. 升压电感器中@@的电流纹波变小@@。对于@@相同的电感值@@@@，施加到电感器的峰峰值@@电压也是三电平拓扑结构@@中@@总输出电压的一半@@。这使得电流纹波更小@@，更容易使用@@更小的电感器进行滤波@@，从而实现更紧凑的电感器设计并降低@@成本@@。此外@@，部分电感器损耗与@@电流纹波成正比@@。因此@@，较低的纹波将有助于减少电感器中@@的损耗@@。

3. EMI降低@@。EMI主要与@@电流纹波有关@@。正如@@刚刚提到的@@，三电平拓扑结构@@减少了电流纹波@@，使滤波更容易并产生更低的传导@@EMI。电磁辐射@@EMI与@@dV/dt和@@dI/dt相关@@。首先@@，三电平拓扑结构@@降低@@了峰峰值@@开关电压@@，使得开关节点走线辐射的电场更小@@。其次@@，三电平拓扑结构@@减少了峰峰值@@开关电流@@，使得在@@开关功率级环路中@@辐射的磁场更小@@。

开关频率@@与@@开关技术@@

开关频率@@对电气设计有多方面的影响@@，而且也会对系统@@规格@@（如@@尺寸@@和@@重量@@）和@@额外成本@@（如@@运输和@@处理成本@@）产生影响@@。

提高开关频率@@@@，可以减小无源@@188足彩外围@@app 的尺寸@@@@，从而使系统@@更轻并降低@@成本@@。然而@@，开关损耗@@随频率增加@@。新的开关技术解决了这一难题@@。

就开关技术而言@@，IGBT是速度较慢的器件@@。IGBT用于@@开关频率@@较低@@（几十@@kHz）的转换器@@中@@@@。与@@MOSFET相比@@，当@@VCE(SAT)小于@@RDS(ON)×ID时@@，它们更适合用于@@非常高的电流@@。硅@@超级结@@MOSFET的使用@@频率不超过@@100kHz左右@@。而碳化硅@@@@(SiC) MOSFET可用于@@@@100kHz以上@@。

关于二极管@@@@，肖特基@@SiC二极管@@与@@快速硅@@二极管@@也可用于@@@@三相@@PFC中@@的升压二极管@@@@，与@@MOSFET互补@@，以降低@@开关损耗@@并允许超结硅@@@@MOSFET实现更高的工作频率@@。

肖特基@@SiC二极管@@也可以与@@@@IGBT共同封装@@，以减少反向恢复损耗@@。这种配置@@（硅@@IGBT+SiC联合封装二极管@@@@）称为混合@@@@IGBT。混合@@IGBT在@@各种拓扑结构@@的半桥或@@背靠背配置中@@能以较少的开关损耗@@运行@@。如@@果开关损耗@@较低@@，开关频率@@也可以增加@@，以优化系统@@性能@@。

最后@@，还必须考虑具体的应用要求@@。对于@@“车载充电器@@”，由于尺寸@@和@@重量至关重要@@，因此@@需要高频以减小无源@@188足彩外围@@app 的尺寸@@@@。这将需要高频开关和@@二极管@@@@。在@@这种情况下@@，宽禁带组件@@（如@@SiC）通常@@是首选@@。另一方面@@，对于@@“非车载充电器@@@@”，尺寸@@和@@重量并不那么重要@@。充电时@@间和@@成本更为关键@@。为缩短充电时@@间@@，常采用@@IGBT实现数百千瓦的充电功率@@。成本限制是采用更便宜的常规硅@@基器件解决方案的另一个原因@@。

调制方案@@

在@@平衡的三相系统@@中@@@@，没有中@@性线电流@@。电压总和@@始终为零@@，电流也是如@@此@@。我们有以下公式@@（其中@@@@U、V、W是三相线的名称@@）：

这意味着流过一相或@@两相的电流是否会通过其他两相或@@一相@@（分别@@）返回电网@@@@。电流分流取决于@@电网@@波形的相位@@。有十二种不同的组合或@@状态@@（取决于@@U、V、W值@@）。这些状态称为@@“扇区@@”，如@@图@@@@6所示@@。

图@@6.三相电压和@@扇区@@@@

例如@@@@，在@@扇区@@@@1期间@@，电流从@@（U和@@V）流向@@W。在@@扇区@@@@4期间@@，电流从@@V流向@@（U和@@W）。调制技术将基于这些扇区@@@@，并将确定应用于@@所需开关的@@PWM序列@@。

为了驱动开关@@，还可以使用@@多种调制技术@@。最常见的是@@SVPWM。大多数情况下@@，采用对称@@PWM调制来减少频谱频率含量@@，也用于@@减少前沿或@@后沿@@PWM调制时@@的@@EMI。为了减少开关和@@二极管@@的电压应力@@，通常@@（或@@几乎总是@@）使用@@所谓的@@“三次谐波注入@@”来获得空间矢量调制模式@@。使用@@的其他调制方案@@是平底调制或@@不连续调制@@，这主要有助于降低@@二极管@@的应力@@，但会引入更高的失真和@@功率因数退化@@。

使用@@Clark和@@Park变换完成控制@@。Clark变换将三相电压系统@@转换为与@@三相系统@@具有相同线路频率的单相系统@@@@。Park变换将单相系统@@转换为具有有功和@@无功组件的静态系统@@@@，类似于一种解调技术@@。通常@@，输入电压被认为是纯正电压@@，并用作相移测量的基准@@。当@@输入电流的有功值@@和@@无功值@@已知时@@@@，控制系统@@的目标是调节无功电流分量总和@@为@@0。这是任何@@PFC 的主要目标@@。有功部分由控制器调整@@，以向负载提供所需的功率@@。

损耗管理和@@热管理@@

损耗和@@效率@@取决于@@许多参数@@，例如@@@@开关频率@@@@、开关和@@二极管@@技术@@、转换器@@拓扑结构@@和@@无源@@188足彩外围@@app 。众所周知@@，如@@果损耗减少@@，则效率@@提高并且热管理变得更容易@@。

在@@主动@@188足彩外围@@app 中@@，有两种方法可以处理热管理@@。对于@@低功率应用@@，使用@@分立功率器件@@进行设计是首选解决方案@@。它提供了采购和@@生产方面的灵活性@@。使用@@分立器件的缺点是通常@@需要很多非常复杂的机械组件@@。借助分立式器件@@，可以实现更高功率的设计@@。在@@这种情况下@@，整个系统@@被分成几个并行运行的低功率转换器@@@@@@（或@@模块@@）。这种架构通过将损耗分散到多个模块来简化电源管理@@。

然而@@，在@@更高功率应用的转换器@@中@@@@采用功率模块更有优势@@（将多个功率器件@@集成在@@一个封装中@@@@）。这样有助于热管理和@@机械组装@@，因为只需要一个模块@@（或@@一小组模块@@）连接到散热片@@。此外@@，模块还针对热传递进行了优化@@，实现极低热阻材料@@。这在@@分立装配中@@更难实现@@。模块与@@分立器件相比@@的另一个优势是寄生或@@漏电布局电感@@。

在@@模块内部@@，与@@分立装配相比@@@@，距离更小@@，这有助于减少寄生电感等损耗@@。较低的寄生电感还可以减少电压尖峰@@，由于开关和@@二极管@@上的应力较低@@，因此@@可以提高可靠性@@。较低电压尖峰的第二个优点是还可以减少高频辐射@@。

双向性和@@功率流方向优化@@

通常@@，三相逆变器@@（用于@@UPS、太阳能或@@电机驱动@@）可以是双向的@@，并且在@@反向模式@@（或@@UPS的充电模式或@@电机驱动的制动模式@@）下运行时@@充当@@@@AC/DC转换器@@。不过@@，这里有一点需要强调@@。通常@@，功率转换器@@@@，特别是其拓扑结构@@@@，一般是通过开关器件和@@二极管@@的选择@@，专门针对一种用法和@@输出方向进行优化的@@。在@@PFC模式下用作@@AC/DC转换器@@的三相逆变器@@的效率@@不如@@优化的@@AC/DC PFC转换器@@。即使设计为双向的@@DC/AC拓扑结构@@，也会在@@一个方向上表现出比另一个方向更好的性能@@。因此@@，重要的是要记住最需要的用法是什么@@。

本文及其中@@@@讨论的应用侧重于三相@@PFC转换器@@，因此@@系统@@经过优化以从电网@@获取电力@@（即使它们可能是双向的@@）。此外@@，正如@@我们将看到的@@，并非所有拓扑结构@@都可以实现双向性@@，因此@@预先选择合适的拓扑结构@@是一个重要因素@@。

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设计三相@@PFC请务必优先考虑这几点@@！