干货 | 揭秘三相功率因数校正 (PFC) 拓扑结构
图1总结了一些需要PFC前端的常见应用。首先是汽车电子，经过几年的发展，该领域增长动力强劲，预计未来五年的复合年增长率将达到 30%。充电基础设施，尤其是快速直流 EV 充电桩，需要跟上电动汽车的发展步伐，以有效推动电动汽车的普及。这些 AC/DC 转换系统需要在前端使用三相 PFC 拓扑结构，以高效且有效地提供 10 kW 以上的功率。随着 EV 快速充电接近 400 kW，PFC 级正在成为直流充电关键的一环。除了 EV 充电之外，还有其他用到三相电的高增长市场，例如用于电网储能系统 (ESS) 的双向转换器和用于工业场所和数据中心的大型不间断电源 (UPS)。此外，随着连接到电网的开关电源系统的增加，对于电磁干扰限制和谐波失真的监管也越来越严格，例如 IEC−6100−3/12。PFC 通常是减少干扰和谐波含量的解决方案之一。
推动三相 PFC 拓扑结构普及的第二个驱动因素是碳化硅 (SiC) 功率半导体的出现。SiC 器件具有更高的击穿电压和更低的开关损耗，相比于硅基开关，可在更高频的情况下实现高效率，因此能在尺寸、成本和性能方面提供全面的解决方案。SiC MOSFET 和二极管正在为电力电子器件提供更高功率和更高电压的应用。
图1. 在电动车充电AC/DC 转换中使用三相PFC的需求激增。
推动使用三相 PFC 的其他应用包括用于工业场所和数据中心的储能系统 (ESS) 和不间断电源 (UPS)。
本文介绍了三相系统的主要优势，并深入探讨了三相 PFC 的基本设计注意事项。此外，还介绍了市场上常见的三相 PFC 升压拓扑结构，并讨论了它们的优缺点。总的来说，本文提供了有关如何从头开始了解三相 PFC 设计的指导，并介绍了如何根据应用要求选择合适的拓扑结构。
三相系统的优点是什么？
与单相配置相比，三相系统可实现更高功率的系统，具有更高的功率密度并减少每瓦特所需的布线、尺寸或重量。此外，三相系统提供恒定功率输出，而单相系统具有可变输出功率，通常需要大型低频滤波器为负载供电。
如果看一下单相配电系统（有两根电线：相线和中性线）提供给特定电压 (VRMS) 和负载 (R) 的功率，可以得到：
（公式1）
并且
（公式2）
如果将电压和电流相乘得到瞬时功率并取平均值，可以得到：
（公式3）
并且
（公式4）
或
（公式5）
图2直观展示了这些公式并揭示了单相系统的一个重要特征。瞬时输出功率不是常数，而是VLine的函数。
图2.单相电网的功率流
单相配电系统的另一个基本特征与功率密度有关。如果我们想在使用相同的导线横截面或规格的情况下将功率增加三倍，我们需要将导线数量增加三倍：3 根相线，3 根中性线。
对于平衡的三相配电系统，每个电压都与其他电压有 ±120° 的相移。如果对这 3 个电压求和，可以得到：
（公式6）
如果使用向量模型来表示电压，然后将它们相加，将始终获得零的结果。这些向量代表一个等边三角形。
这个公式的结果是，只有 3 根电线承载 3 个正弦电压，它们之间的相移为 ±120°，不需要中性线。我们可以仅用 3 根电线而不是 6 根（使用 3 个单相连接）承载 3 倍的功率。这大大减少了承载相同功率所需的布线量。
这种 ±120° 相移的另一个结果体现在连接到每条线路的 3 个负载 R 所接收到的功率（在 △ 或 Y 配置中）。对于 Y 配置，我们得到以下公式（△ 配置也可以得到类似的结果）：
（公式7）
可以简化为：
（公式8）
现在，任何时候可用的功率量都是恒定的，等于平均单相系统功率的 3 倍。因此，不同于单相 PFC，三相 PFC 无需大型无源存储元件（电感器、电容器）来过滤瞬时功率和提供恒定功率。图 3 展示了这种特性，与单相系统形成对比。
图3.三相电网的功率流
为什么我们需要
在三相系统中使用PFC？
过去，负载基本上是线性的（电阻器、电感器或电容器）。如果施加到三相配电系统的三个负载相同，则称系统达到“平衡”，三相系统电流之和为零。如前一章所述，在这种情况下不需要中性线连接。
如今，负载集成了二极管和晶体管等非线性器件。输入电流形状可能与正弦波形有很大不同。最重要的是，如果我们不小心，有时会由于系统中的瞬变而对每个相位施加不同的负载。这会导致不平衡的三相系统。没有中性线，电压中点不平衡且不等于零，导致每条线路中的电压幅值不相等，并可能出现过压/欠压故障。
一个常见的想法是，三相连接的负载会自动平衡，不需要PFC。对于电源之类的非线性负载，情况并非如此。
与单相电压分配一样，为了优化输送到负载的功率，电流需要与电压具有相同的形状，以最大化功率因数并使其尽可能接近 1。来自交流电网的线路电压是正弦波，因此电流应该也是这样。这同样适用于三相系统。所有三相电流的形状应与三相电压的形状相同。此外，三相系统电流也必须平衡（即电流之和应为零）。因此，在三相系统中，PFC 会调节出与电压尽可能同相的三平衡正弦电流，与单相系统相比，这带来了另一层复杂性。
正如我们所看到的，随着功率容量的增加和新应用的出现，三相系统明显在配电和功率转换方面具有优势，这促进了它的普及，并且现在正随着新趋势的出现而加速发展。首先，三相系统的功率密度更高，因为三线允许的功率是单相双线配电的 3 倍。
其次，如果我们假设一个恒定的线性负载或一个 PFC 前端，三相配电可以提供恒定的输入水平（图3绿色实线），而单相配电的输入是一个幅值最大为2倍平均功率的正弦波形（图 2紫色虚线）。为了将该波形重塑为恒定值，需要一个大的低频存储元件来滤波并向负载提供恒定功率。这种存储元件（通常是电解电容器）体积庞大，是单相 PFC 的薄弱环节，会限制系统的寿命。
