[发明专利]三相软切换PFC整流器

说明书

技术领域

本发明一般涉及带功率因数校正(Power Factor Correction，PFC)的前端整流器，并且更具体地涉及三相PFC整流器。 

背景技术

现已充分确立：带有三个或更多开关的三相功率因数校正(PFC)整流器与以较少数量开关实现的整流器(其不能独立地对每个相电流进行有效成形)相比，显示出较好的功率因数(PF)及总谐波失真(Total Harmonic Distortion，THD)。然而，由于简易性及低成本，单个及两个开关的整流器对于在成本敏感应用中的部署仍然非常有吸引力。 

图1示出最常采用的现有技术中的三相单开关整流器。这个简单的三相升压(boost)整流器通过以不连续导电模式(Discontinuous Conduction mode，DCM)操作，即通过允许升压电感器在每个切换周期中对其能量进行完全放电，从而执行低谐波整流。众所周知，在DCM操作中，升压整流器的线路电流自然趋向于跟随各自的线路电压，其结果是改善了线路电流的THD和PF。由于未直接调节电感器电流，因此将开关专用于以低带宽恒频控制来调节输出电压。如在文献中报导的那样，图1中的电路能够获得分别为10-20％的THD及0.94-0.96范围的PF，这在一些应用中是足够的。 

通常，获得更好的THD的主要障碍在于与升压电感器的充电时间相比相对长的升压电感器放电时间。即，电感器的充电电流(在开关接通的时段期间)与它们各自的相电压成比例，并且因此不会导致电流失真。然而，每个电感器的放电电流(在开关断开的时段期间)与在输出电压和所有三相电压之间的差异成比例，这引入平均相电流的失真。为了使电流失真最小化，通过增加电感器的复位电压而使电感器的放电时间尽量短。 

对于给定的输入电压，电感器的复位电压仅能够通过增加输出电压而增加。由于升压操作需要输出电压大于峰值相电压的两倍，因而图1中的电路中的输 出电压已经很高(对于380-V的三相线对线输入大约是750V)，所以通过增加输入电压来改善THD是不可行的。即，输出电压增加将需要具有更高电压额定值的元件，这些元件一般较贵并且由于其传导及切换损耗增加而造成效率较低。 

电路的THD还可通过各种谐波注入技术来改善。由于这些技术基于控制电路细调而非功率级的重新设计来改善THD，因此它们不会受到成本及效率障碍。然而，通过已报导的谐波注入技术来获得的改善相对有限。 

进一步的THD和PF性能改善可通过凭借两开关三相整流器的实施来获得。图2示出这类三相整流器的一个现有技术实施例。该电路的详细操作在D.Xu等人于1998年在IEEE APEC(Applied Power Electronics Conference)发表的文章“Quasi-Soft-Switching Partly Decoupled Three-Phase PFC with Approximate Unity Power Factor”中予以描述。 

通常，通过将中性电感器连接到开关的中点及分裂输出电容器，可在该电路中降低开关元件两端的电压应力。该连接使相电流部分地去耦合，即，使线路周期(line period)的大多部分中的相电流仅取决于它们对应的相电压，即，使三相PFC整流器在线路周期的大多部分中时用作三个独立的单相PFC整流器。众所周知，在单相PFC升压整流器中，如果变换器总是以慢带宽输出控制而以DCM操作，则能够减小线路电流失真。因此，通过以DCM操作图2中的电路，可实现它的PFC。 

图3示出另一个现有技术的电路，该电路通过为没有中性点可用的应用、即在带有三线电力线的应用中创建虚拟中性点(neutral)而对图2中的电路进行改进。该虚拟中性点通过电容器C₁、C₂、C₃与三个线路电压的Y形(“星形”)连接实现。由于在该连接中这三个电容器的公共节点的电势与电源的中性点的电势相等，因此平均电容器电压与相电压相等。图3中的电路在Ying等人的“Integrated Converter Having Three-Phase Power Factor Correction”美国专利7,005,759中更加详细的描述。