三相不控整流電路的PFC設(shè)計案例分析

PFC技術(shù)目前已經(jīng)被成功應(yīng)用到了中小功率開關(guān)電源產(chǎn)品的設(shè)計過程中，通過對功率因數(shù)校正的合理利用，工程師可以有效提升其工作效率。在今天的文章中，我們將會通過一個實際案例，來為各位新人工程師們進(jìn)行實例解析，看在三相不控整流電路中應(yīng)當(dāng)如何有效實現(xiàn)其PFC設(shè)計。

三相不控整流電路是一種在中小功率開關(guān)電源設(shè)計中，比較常見的電路設(shè)計類型。但是，這種電路系統(tǒng)也有其本身的缺點(diǎn)，那就是即使負(fù)載等效為一個電阻，也不能獲得滿意的功率因數(shù)，需要人工進(jìn)行PFC設(shè)計。出現(xiàn)這一問題的根本原因在于，三相不控整流電路中三相電壓通過不控整流橋互相耦合，輸入電流是三個相電壓的函數(shù)，不可能同時兼顧三相輸入電流，使任何一相輸入電流都不能獨(dú)立控制為正弦波形，必須對三相輸入電壓進(jìn)行解耦。下圖中，圖1所展示的是就一種大電容濾波的三相不控整流電路結(jié)構(gòu)。

圖1 大電容濾波的三相不控整流電路

結(jié)合圖1所給出的這種電路結(jié)構(gòu)，下面我們就來對該種大電容濾波的三相不控整流電路進(jìn)行仿真分析。在仿真模擬過程中，我們所設(shè)置的各項參數(shù)如下：輸入相電壓有效值Ui=220V/50Hz，輸出濾波電容C=1800μF，負(fù)載R=50Ω。任意一相的輸入相電壓相電流波形如圖2所示，圖3為輸入電流的諧波分析圖，仿真測量的功率因數(shù)值為0.566。通過仿真結(jié)果可以看出，這種電路具有功率因數(shù)低，輸入電流的總諧波畸變程度大，輸入諧波電流含量嚴(yán)重超標(biāo)的缺點(diǎn)。

圖2 大電容濾波的三相不控整流電路輸入電壓電流波形

圖3 大電容濾波的三相不控整流電路輸入電流諧波分析

在了解了這種大電容濾波的三相不控整流電路的缺點(diǎn)之后，針對其本身所存在的缺陷，我們所采用的PFC改良方法，是選擇橋前采用LC濾波器橋后采用電抗器對這一電路系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計，以此來達(dá)成PFC（功率因數(shù)校正）的目的。橋前采用LC濾波器橋后采用電抗器的三相無源PFC電路如圖4所示，其特點(diǎn)是分別在原有三相全橋整流電路的交流輸入側(cè)加無源濾波器電感和電容，其三相交流輸入端每相分別串聯(lián)濾波電感L，輸入濾波電容C采用三角形接法。同時在原有三相不控整流電路的整流橋后負(fù)載之前串聯(lián)一個電抗器。

圖4 橋前采用LC濾波器橋后采用電抗器的三相無源PFC電路

在了解了圖4所介紹的這種橋前采用LC濾波器橋后采用電抗器的三相無源PFC電路設(shè)計情況后，下面我們就來針對這一三相無源PFC電路進(jìn)行Matlab軟件仿真研究。主要仿真參數(shù)的設(shè)置情況如下：三相交流輸入電壓為Ui=220V/50Hz。輸入濾波電容參數(shù)C1=C2=C3=20μF，輸入濾波電感參數(shù)L1=L2=L3=10mH，三相整流橋輸出濾波電容C=1800μF，電感L=15mH，負(fù)載電阻R=50Ω。

圖5（a）橋前采用LC濾波器橋后采用電抗器的三相無源PFC電路輸入電壓電流波形

圖5（b）橋前采用LC濾波器橋后采用電抗器的三相無源PFC電路輸入電流諧波分析

經(jīng)仿真后，這一進(jìn)行了PFC設(shè)計的電路的輸入相電壓Ui和相電流ii的仿真波形和輸入電流的諧波分析圖，分別如圖5（a）、（b）所示。通過測量后，求得功率因數(shù)值為0.804總的諧波失真率THD=15.3%。通過對圖5所給出的仿真結(jié)果與圖3的對比后發(fā)現(xiàn)，在這種三相不控整流電路的交流輸入端加LC無源濾波器，能夠有效降低輸入相電流的THD值，提高了電路的功率因數(shù)。整流橋后串聯(lián)電抗器與未串聯(lián)電抗器相比，電流波形改善非常明顯。