单周控制的三相三开关高功率因数整流器

电 工 技 术 学 报

TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY

Vol.22 No.4

Apr. 2007

单周控制的三相三开关高功率因数整流器

张厚升

（山东理工大学电气与电子工程学院 淄博 255049）

摘要 谐波污染已引起世界各国的高度重视。功率因数校正（PFC）是治理谐波的一种有效方法。本文研究了基于单周期控制的三相三开关高功率因数整流器，推导了三相三开关升压整流器的控制规律，设计了一种基于单周期控制技术的PFC控制器，该控制器不需要乘法器，更不需要对电源电压进行检测，其控制逻辑非常简单且以恒定频率工作。完成了7kW三相高功率因数整流器的设计与实验研究，进行了稳态与动态响应试验，试验结果表明系统的功率因数可达0.98，且实现了单位功率因数校正和低电流畸变。

关键词：高功率因数整流器 单周期控制 功率因数校正 变流器 中图分类号：TM461

Three-Phase Three-Switch High Power Factor Rectifier

With One Cycle Control

Zhang Housheng

（Shandong University of Technology Zibo 255049 China）

Abstract The attention devoted to reducing harmonic pollution is increasing. Power factor correction (PFC) is an effective method to reduce harmonic current in power grid. A three-phase three-switch high power factor rectifier with one cycle control is researched. The control laws of three-phase three-switch rectifier are deduced. A new PFC controller based on one cycle control technology is designed. Its control logic is very simple and the multipliers and input voltage sensors are not needed. The control circuit could be implemented by the general integrate circuit and electronic devices. A 7kW three-phase high power factor rectifier with one cycle control is designed and implemented. Experimental results of steady test and dynamic state test prove that the rectifier’s power factor can reach 0.98. It can achieve low current distortion and unity power factor correction.

Keywords：High power factor rectifier, one cycle control, PFC, converter

当的控制策略，使网侧电流遵循正弦波变化规律[1-2]，这就是新一代整流电路即高功率因数整流器所依据的工作原理[3]。

鉴于此，美国学者Keyue M Smedley提出了一种新型的控制方法即单周期控制技术，它是一种非线性控制技术，其突出特点是无论是稳态还是暂态，都能保持受控量的平均值恰好等于或正比于给定值，即能在一个开关周期内，有效抵制电源侧的扰动，既没有稳态误差，也没有暂态误差，这种控制技术可广泛应用于非线性系统的场合[4]。该控制技现已逐步应术最初应用于DC/DC变换器[5]控制中，

用于开关功率放大器[6]、有源电力滤波器[7]、交错运行并联开关变换器[8]、矩阵式交流稳压电源[9]、

1 引言

电力系统中的波形畸变主要来源于两大因素：其一是R、L、C元件的非线性；其二是大量使用的电力电子装置。解决电力电子装置的谐波污染问题，除了采用补偿装置对谐波进行补偿之外，就是开发新型变流器，使其不产生谐波，且功率因数为1，这种变流器称之为单位功率因数变流器。目前由于场控高频自关断器件的迅速发展，可以借助它达到减少网侧谐波电流的目的。其基本思想是放弃传统的相控整流方案，代之以高频调制原理，然后通过适

收稿日期 2006-08-02 改稿日期 2006-09-27

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单相功率因数校正器[10]等领域。目前单周期控制技术在三相高功率因数整流器中也得到了广泛的应用，在三相功率因数校正技术中有许多电路拓扑可以实现低谐波和高功率因数，如三相六开关全桥结构[1-2, 11]、VIENNA结构[12]、三相Boost结构[13]等。在三相六开关全桥结构中，文献[1-2, 11]虽然实现了正弦输入电流和近似单位功率因数，但是其主电路拓扑使用了六个开关管和相应的反并联二极管组成三相可控的开关整流器，而且采用了三个带复位功能的积分器分别实现三个控制方程，成本较高。本文设计了一种单周控制的三相高功率因数整流器，主电路采用三相三开关变换器，控制电路只使用了一个积分器，具有开关频率恒定、不需要乘法器、控制方案简单等优点，同时在一个开关周期每60°区间内，只有两个开关工作在高频状态，开关损耗大大减少，整个系统的成本得到了控制，有利于推广应用于实际中。

2 控制规律分析及其实现

为了简化推导过程，特做如下假设：电网电压为理想电压源，即三相对称、稳定，内阻为零；各相电感相等，均为L，即La=Lb=Lc=L；三相电路参数对称；输出电容Co足够大，假设输出电压保持不变；开关频率远远大于电源频率；忽略开关器件的导通压降和开关损耗，忽略分布参数的影响。

图1给出了所研究的三相三开关升压整流器的主电路原理图，一个周期内三相电压的标准波形如图2所示，用虚线将整个周期划分为六个区间。在第一个区间[ 0°

,60°] 内，开关Sc一直处于关断状态，控制开关Sa、Sb使相电流ia、ic分别跟踪各自相电压va、vc，由于va+vb+vc=0，ia+ib+ic=0，因此相电流ib也将跟踪相电压vb，也即可以实现单位功率因数[1, 3]，在下一个区间[ 60°

,120°] 内，开关Sb在此区间内一直保持关断，控制开关Sa、Sc使输入电感平均电流分别跟踪电网相电压vb、vc，对于其他区间也可进行类似的分析等效。如果将三相三开关升压整流电路的直流侧视为负载，对于图1所示的三相整流器可以将其等效为如图3所示的并联双端升压拓扑结构[3, 14]。其中VTp、VTn代表不同区间所对应的开关，Vp、Vn代表不同区间所对应的等效电压，Lp、Ln、Lt代表不同区间所对应的电感，E代表变换器的直流输出电压。

需要说明的是，在第一个[ 0° ,60°] 区间内，等效电压Vp可能是Va−Vb，也可能是Vc−Vb，对于其

图1 三相三开关升压整流器

Fig.1 Three-phase three-switch boost rectifier

图2 三相电压标准波形图

Fig.2 Normalized three-phase voltage waveforms

图3 并联双端升压拓扑电路

Fig.3 Series-connected dual-boost topology

他区间也存在类似情况，在此以第一种情况为例，对图3所示的双端升压拓扑结构，开关VTp、VTn共有四种可变化的开关状态，即：①VTp导通，VTn导通；②VTp导通，VTn关断；③VTp关断，VTn导通；④VTp关断，VTn关断，这四种开关状态的等效电路如图4所示。以状态②为例，分析在此状态内电感Lp、Ln和Lt的电压值，对图4所示电路，运用回路法和节点法，列出电路方程为

⎧⎪⎪

VLdiLpdp=dt+Li

Ltdt⎪⎨VdiLt+Ldi

Ln （1）

⎪

n−E=L

dtdt⎪⎪iLt=iLp+iLn⎩

第22卷第4期

张厚升 单周控制的三相三开关高功率因数整流器 115

(a) VTp导通，VTn导通 (b) VTp导通，VTn关断

(c) VTp关断，VTn导通 (d) VTp关断，VTn关断

图4 并联双端升压拓扑电路在四种

开关状态时的等效电路

Fig.4 Series-connected dual-boost topology

in all four switching states

对式（1）化简并整理可以得出

⎧⎪

2Vp−Vn+E

=LdiLp=V⎪

3dtLp⎪⎨

2(Vn−E)−Vp=LdiLn

=V⎪

3dtLn （2）⎪⎪

Vp+Vn−E⎩

3=Ldi

Ltdt=VLt同样，对其余几种开关状态①、③、④也可作类似分析。

对固定开关频率的三相PFC，如果在下降沿调制，在每个开关周期只有两种可能的开关次序，即①、②、④（满足条件dp＞dn，dp、dn分别为等效开关VTp、VTn的占空比）或①、③、④（满足条件dp＜dn）

。这里考虑第一种情况（dp＞dn），假设开关频率远高于电网频率，在一个开关周期内，电感电压的平均值为零，对一个对称（平衡）的三相系统，式（3）成立。

⎧⎪Vp*dn+(Vp*+1E)(dp−dn)+(Vp*−1E)(1−dp)=0⎪

33

⎪⎨Vn*dn+(Vn*−2E)(dp−dn)+(Vn*−1E)(1−dp)=0（3⎪

33）⎪⎪2⎩

Vt*dn

+(Vt*−13E)(dp−dn)+(Vt*

−3E)(1−dp)=0⎡21⎤⎡⎢V−

p*⎤⎢⎥⎢33⎥

式中 ⎢*⎢12⎥⎥⎡Vp⎤⎢Vn⎥=−*⎥⎢⎢⎣V3

3⎥•⎢⎣V⎥ n⎦t⎥⎦⎢⎢

11⎥⎢⎥⎣33⎥⎦

由于va+vb+vc=0，则Vp*+Vn*−Vt*=0成立，因而

可以得到

⎡⎢1−dp⎤⎡21⎤⎡Vp*

/E⎤⎣1−d⎥=⎢⎣⎥⎢n⎦12⎦⎢⎣Vn*⎥/E⎥ （4） ⎦

同样可以证明，式（4）对另一个开关次序①、

③、④（dp＜dn）也是成立的。在稳定状态时，等

式

E1V=1−d对工作在连续导通模式（CCM）的直 in流升压变换器是成立的，这里Vin、E、d分别表示

DC/DC升压变换器的输入电压、输出电压以及占空比。同样式（4）给出了并联双端升压拓扑电路的输入电压、输出电压和占空比三者之间的固定关系，只要电路工作在连续导通模式，这个等式并不依赖于控制电路，即与所采取的控制方案无关。

为了实现三相PFC的单位功率因数，控制的目标就是在一个开关周期内迫使每相电感电流ia、ib和ic分别跟踪正弦相电压va、vb和vc。由于系统是一个对称（平衡）的三相系统，所以通过控制两相电流分别跟踪各自相电压，即可实现单位功率因数[3, 14]，用公式表示为va=Reia，vb=Reib，vc=Reic，式中Re代表反映负载电流的等效电阻。鉴于以上理论分析， 通过控制电感电流iLp和iLn分别跟踪电压Vp*和Vn*， 即可实现控制的目的，因此三相PFC控制的目标可重写为

⎧⎪⎨Vp*=ReiLp

（5）

⎪⎩Vn*=ReiLn

将式（5）代入式（4）中，整理可得

⎡⎢1−dp⎤⎣1−d⎥=ReR⎡21⎤⎡iLp⎤

s⎢⎥n⎦

ERs⎣12⎦⎢⎣i⎥ （6） Ln⎦式中，Rs代表等效的电流检测电阻，假设所有的电

流检测电阻都等于RERs，令Vm=s

R，Vm代表反馈 e电压环误差补偿器的输出，则式（6）可表示为

V⎡⎢1−dp⎤⎣1−d⎥R⎡21⎤⎡iLpm=⎤

s⎢⎥⎢⎥ n⎦

⎣12⎦（7） ⎣iLn⎦上式即为单周期控制的关键方程也即三相PFC函数，它表明控制等效开关VTp、VTn的占空比，若

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使电感电流iLp、iLn的线性组合满足式（7），就可以实现三相PFC。这些关系式可以用带复位的积分器和一些线性网络（例如时钟、比较器、触发器和加法器等[1-3]）来实现。由于在线性周期的每60°区间内，并联双端升压拓扑电路需要改变输入电流检测的对象和控制不同的开关，因此还需要多路开关转换电路、区间选择电路和输出逻辑控制电路，实现式（7）给出的三相PFC函数的控制模块如图5所示。

图5 实现三相PFC函数的单周控制电路框图 Fig.5 One cycle controlled schematic circuit diagram

realizing the three-phase PFC function

3 系统实验

为了验证所推导控制规律的正确性，根据前面推导的理论结果进行了系统设计和实验研究。实验的主要参数为：输入电压为115V/50Hz的工频电源，输出电压为400V，输出功率为7kW，开关频率为20kHz，交流输入侧电感为0.8mH，控制电路中采用NE555构成多谐振荡器产生积分器的复位信号RESET，利用复位脉冲的下降沿触发由NE555构成的单稳态电路，以产生时钟脉冲CLK，图6给出了时钟信号CLK和复位脉冲RESET的实验波形。

图6 复位脉冲和时钟脉冲的实验波形

Fig.6 Experimental waveforms of reset and clock pulses

A相的电压和三相输入电流的波形如图7所示，由图可以看出输入电流能够很好的跟踪输入电压而呈现正弦波，从而实现了功率因数近似为1的校正目的。对输入电压和输入电流的前50次谐波进行分析可得：在输入电压的总谐波畸变率（THD）为5.439%时，输入电流的总谐波畸变率为4.993%，功率因数可达0.98。系统稳态直流输出电压脉动系数小于5%。

图7 A相输入电压和三相输入电流的实验波形

Fig.7 Waveforms of phase A voltage and three phase

input current

同时还进行了系统负载变化时的动态响应实验，图8给出了负载减小30%时A相电流与输出电压的变化波形，由图可以看出，在负载变化的过程中，电流仍保持为正弦波形，系统的动态响应大约为3个电源周期，负载突变的过程中，输出电压和输出相电流能够实现平稳过渡，从而也验证了理论分析的正确性。

图8 负载由大变小时的A相电流和输出电压的波形 Fig.8 Waveforms of input current and output voltage

from heavy load to light load

4 结论

本文详细分析了单周期控制的三相三开关PFC整流器的工作原理与控制规律，设计了一种新颖的

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三相高功率因数整流器，该高功率因数整流器可以实现单位功率因数校正和低电流畸变，直流输出侧电压稳定，负载变化时系统具有良好的动态响应，而且控制器工作可靠，具有开关频率恒定、不需要乘法器、控制方案简单等特点，同时在一个开关周期的每60°区间内，只有两个开关工作在高频状态，开关损耗明显减少。因此，本文中提出的高功率因数整流器为实现三相功率因数校正提供了一种高性能和低廉的解决方案。

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作者简介

张厚升 男，1976年生，硕士，研究方向为电气自动化、电力电子与电力传动。