大功率三相三线有源PFC解决方案

FAE  常程炜

     传统整流电路会造成电流波形畸变，从而导致功率因数大大降低，并产生高次谐波分量，污染电网。低功率因数即代表低的电力效能，越低的功率因数值代表越高比例的电力在配送网络中耗损，若较低的功率因数没有被校正提升，电力公司除了有效功率外，还要提供与工作非相关的虚功，这导致需要更大的发电机、转换机、输送工具、缆线及额外的配送系统等事实上可被省略的设施，以弥补损耗的不足 。而且在三相的电流系统中，其中性线电流不会为零，可能会有中性线负载过大的问题。
     例如一负载的功率因数为0.7，其视在功率为有功功率的1.4倍，其输入电流也会是1.4倍，因输电损失和电流平方成正比，输电损失大约会是2倍。而且系统中的所有元件，如发电机、导线、变压器等都需要因为额外的功率及电流也加大尺寸及额定，成本也随之提高。
     有源相控阵雷达是一种典型的大功率负载，功率可以从几十千瓦到几兆瓦不等。随着有源相控阵雷达技术的成熟，相关产品也越来越多，对于高效供电系统的需求也越来越多。在我国，大功率系统通常采用三相三线380VAC供电系统，飞机则主要采用三相三线115V供电。由于系统功率需求越来越大、越来越多，对于三相三线PFC的要求也在逐步普及和提高。
常规三相三线有源PFC多采用无源PFC电路。随着三相三线有源PFC技术的成熟，以及有源PFC相对无源PFC的优势，有源PFC系统正在逐步取代无源PFC系统作为三相三线大功率系统的供电解决方案。相对于无源PFC，有源PFC的优势可以用以下几点概况：
1、有源PFC 功率因数高，THD小，对电网电能质量冲击小，电网利用率高，可以最大程度的利用发电端的有用功率，可以带更多负荷运行，尤其在微网系统作用显著直观；
2、有源PFC输入输出电气隔离，安全性高，无源PFC输入输出无隔离；
3、有源PFC输出波动范围小，可实现稳压300VDC±1%；
4、在380V系统，无源PFC输出基本是460V-620V居多，即以540V为中心，如果通过多脉冲调节功率开关管的导通相位实现300V的降压，除输出电压波动范围大，同时势必引起输入的谐波因子差，无功分量高，同时导致相关的滤波措施增加，体积及重量成倍增长；
5、如无需电气隔离，有源PFC单级的输出稳压范围可缩小在600-620V，重量也仅有5Kg，性能明显优于无源PFC；
6、可实现多模块并联，自主均流度高，单级无源PFC并联均流度差，从而系统的可靠性降低一个等级；
7、有源PFC单位功率密度高出无源PFC一倍乃至几倍。
     目前三相三线有源PFC解决方案有三相单开关、三相双开关、三相三开关、三相六开关、三相三开关三电平等。其中最著名的就是三相三开关三电平解决方案（见图一），也被称作维也纳电路。
 

图1  三相三开关三电平电路

     我公司三相PFC电源即采用了三相三线三电平PFC解决方案，电源原理框图见图2。电源采用了全软开关技术和DSP全数字控制技术，大大减小了因高频开关状态带来的高频谐波分量，使得产品电磁兼容特性非常好。高效DC/DC转换技术（效率最高可达97%）直接为用户提供电压可调/可控的高压直流母线，同时提供输入输出之间的电器隔离。输出特性稳压、恒流可选。电源同时支持CAN通信，多模块并联均流，风冷、水冷散热解决方案。保护功能完善：输入频率保护、缺相保护、过欠压保护；输出过压、过流、短路保护；过温保护等。
 

图2  三相有源PFC电源原理框图

电源产品主要规格如下：
三相三线（四线）输入：323VAC～418VAC/50Hz；
                       110VAC～130VAC/400Hz。
输出范围：200VDC～280VDC
                          350VDC～420VDC
                          270VDC～330VDC
                          480VDC～520VDC