常见的三相软开关PFC变换器拓扑优化策略

在中大功率PFC整流器应用场合，三相六开关桥式电路是一种较合适的PWM整流器拓扑，该电路为电压型Boost型变换器，每一桥臂都有两个全控型开关管，控制自由度较高，具有输入电流连续、开关管电压与电流应力小、变换器效率高等优点，同时网侧电流功率因数较高、电流THD较小、变换器能量双向流动。三相六开关桥式PFC变换器工作在CCM时，由其开关管的反并联二极管反向恢复问题引起的开关损耗非常可观。近年来，出现了许多新颖的三相六开关Boost型PFC软开关拓扑，通过有源辅助软开关变换器，为主开关管创造零电压或者零电流开关条件，同时抑制二极管的反向恢复。根据辅助软开关变换器放置在直流环节和交流环节的不同，可以分为谐振直流环节软开关拓扑和谐振极型软开关拓扑。

1.谐振直流环节软开关拓扑

谐振直流环节软开关拓扑将软开关辅助电路放置在直流侧，与交流环节（谐振极型）软开关拓扑相比，具有结构简单、使用元器件数目少等优点。谐振直流环节（Resonant DC Link，RDCL）变换器是最早的直流环节软开关拓扑，最早的RDCL变换器中，不使用辅助开关管，如图7-41所示。在RDCL变换器中，直流环节总是以很高频率振荡，桥路上的开关管在母线电压谐振到零后进行开关，从而实现零电压开关，大大地减少了开关损耗。但是在图7-41所示的电路中，桥臂上的开关管承受很大的电压应力（大于2.5倍直流母线电压）。

图7-41 谐振直流环节三相变换电路

采用图7-42所示的有源箝位谐振直流环节（ACRDCL）三相PFC变换器电路，可以将电压应力降低到1.3～1.4倍输出电压的水平，但是谐振电路仍必须工作在很高的频率下，通常是8～10倍桥路的开关频率。图7-43画出了有源箝位谐振直流环节电路阶段过程。图7-44是另外一种有源箝位谐振直流环节整流器电路，该电路优点是可以把谐振电压箝位为直流母线电压，缺点是电路实现复杂、实用性不强。

图7-42 有源箝位谐振直流环节三相PFC变换器电路1

无论是在谐振直流环节还是有源箝位的谐振直流环节中，开关管只能在直流母线谐振到零后才动作，因此在硬开关电路中，很成熟的PWM和SVM技术不能直接采用。为了配合谐振电路的谐振过零点，RDCL电路的控制策略必须做一些调整，采用离散脉冲调制（Discrete Pulse Modulation，DPM）策略，这时三相桥臂电路中开关管的工作频率不再固定，这会产生不希望的次谐波（Sub-harmonics），理论分析表明，为了产生与PWM控制相同质量的输出波形，采用离散脉冲调制策略的变换器的工作频率必须比硬开关PWM控制高3～4倍。

图7-43 有源箝位谐振直流环节电路阶段图

图7-44 有源箝位谐振直流环节三相PFC变换器电路2

为了避免上面提到的谐振直流环节变换器中开关管上较高的电压应力，并且能采用PWM或者SVM技术，人们又提出了并联谐振直流环节（PRDCL）变换器，如图7-45所示。并联谐振直流环节变换器在直流母线上串联一个辅助开关，而辅助软开关变换器并联在桥路的两端，在正常工作时，能量在直流母线上传输，在桥路开关管切换时，串联在母线上的串联开关管将母线与输出电容切断，辅助谐振支路将直流母线电压谐振到零，从而使得开关管在零电压下切换。电路可以实现PWM控制，但是这个电路使用了三个辅助开关管，结构比较复杂。

图7-45 并联谐振直流环节三相PFC变换器电路（1）

另外一种改进的并联辅助开关管电路，采用分裂的直流母线。图7-46所示为另外一种改进的并联辅助开关管电路，采用分裂的直流母线的并联谐振直流环节电路，其优点是电路中所有开关管工作在ZVS或ZCS下，电路对谐振元件和辅助开关管功率要求低，控制简单，软开关不依赖于负载条件，可以采用PWM和SVM控制，但是电路需要增加三个有源开关管，系统的控制比较复杂。

图7-46 并联谐振直流环节三相PFC变换器电路（2）

前面提出的并联谐振直流环节电路都采用多个辅助开关管，图7-47所示为谐振直流环节ZVT三相PFC变换器电路，其辅助谐振支路只采用一个开关管，该电路虽然不能实现功率的双向流动，但是节省了一个有源开关管，并且消除了变换器桥臂短路的危险。该电路与单相ZVT PFC变换器类似，在电路运行中，辅助开关管开通，为主开关管创造零电压导通的条件。该电路可以采用SVM控制方法，具有较好的控制效果和较高的效率，但是和单相ZVT电路一样，在实际应用中需要加入额外的饱和电感和二极管来抑制谐振电感与辅助开关管输出电容之间的寄生振荡，并且辅助开关管工作在硬开关条件下。

谐振直流环节ZCT三相PFC变换器电路如图7-48所示，其基本原理与谐振直流环节ZVT三相PFC变换器电路类似，只是辅助开关管在主开关管关断之前动作，为主开关管创造零电流关断的条件，该拓扑也可以采用SVM控制，辅助开关管也工作在硬开关条件下。

2.谐振极型软开关拓扑

图7-47 谐振直流环节ZVT三相PFC变换器电路

图7-48 谐振直流环节ZCT三相PFC变换器电路

在谐振直流环节软开关拓扑中，辅助谐振电路放置在直流母线与三相桥臂之间，只用一组辅助电路就可以实现桥臂中开关管的软开关，但是辅助电路中往往会有较大的电流应力，产生较大的导通损耗。谐振极型软开关拓扑为每一个桥臂安装一套辅助谐振电路，对于三相电路则需要三套辅助谐振电路，虽然增加了系统的复杂性，但是辅助谐振电路中开关管的应力小，辅助谐振电路的导通损耗小，电路的效率高，可以工作在高的开关频率，并且能够实现能量的双向流动，适用于大功率场合。因为三个桥臂中的开关管分别可以实现软开关，因此可以采用传统的PWM和SVM控制，而不像在谐振直流环节中那样受到限制。在过去几十年中，有许多种交流环节软开关拓扑被提出。按照主电路开关管的特性，这些拓扑可以分为ZVT变换器和ZCT变换器。

六开关谐振交流环节三相软开关PFC变换器电路如图7-49所示。该电路采用了分裂的直流母线，采用两个电容创造一个中点，该点电压为V_dc/2，该拓扑在每相桥臂中点与母线电容中点之间串联一个谐振电感和用两个串联有源开关管组成的双向开关，在桥臂中的主开关管需要进行开关切换时，双向开关先导通，利用中点电压V_dc/2使谐振电感电流线性上升，超过输入电感中的电流，在桥臂上的开关管关断后，谐振电感电流给桥臂上的互补开关管的并联电容放电，使得互补开关管在零电压条件下导通。然后，在谐振电感电流谐振到零后，双向开关在零电流条件下关断。因此该拓扑能够实现主开关管的零电压开通和辅助开关管的零电流关断。但是由于该电路采用了分裂直流母线，因此在电路运行中存在着直流母线均压的问题。图7-50为六开关谐振交流环节三相PFC变换器电路中一相换流的等效电路，图7-51为二极管到开关管换流（零电压开通）关键点波形。

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图7-49 六开关谐振交流环节三相软开关PFC变换器电路

图7-50 六开关谐振交流环节三相PFC变换器中一相换流的等效电路

图7-52所示为采用耦合电感的六开关谐振极型三相PFC电路。该电路采用同一个直流母线的拓扑，并采用耦合电感的谐振电路，能够实现主开关管的零电压导通和辅助开关管的零电流关断。并且可以采用常规的PWM和SVM控制，这个电路的主要缺点就是使用耦合电感的体积比较大和重量比较重、系统比较复杂。图7-53为采用耦合电感的六开关谐振极型三相PFC变换器电路中一相换流的等效电路，图7-54为其相应的关键点波形。

图7-51 二极管到开关管换流（零电压开通）关键点波形

前面论述的谐振极型软开关PFC变换器拓扑都采用了六个辅助开关管，大大地增加了系统的复杂性和成本。近年来，也有许多采用较少的辅助开关管的谐振极型软开关拓扑被提出来。图7-55所示为采用一个辅助开关的ZVT谐振极型软开关三相PFC变换器电路拓扑。该电路的最大优点是谐振电路简单、电路中的主开关管都可以在零电压下导通，但是该电路中三相电路同时谐振，传统的PWM控制不能直接应用。并且主开关管关断时的电流很大，辅助开关管的电流应力也很大。

图7-52 采用耦合电感的六开关谐振极型三相PFC变换器电路

图7-56所示电路为改进的单开关ZVT谐振极型三相PFC变换器电路。它采用两个辅助开关，而只使用一个谐振电感，在这个改进的电路中，主开关管的关断电流大大减小，辅助开关管的电流应力也减小了。

零电压转换（ZVT）能够实现主开关的零电压导通，可以减少二极管反向恢复损耗和开关的开通损耗，对于使用IGBT的功率电路，开关的关断损耗也比较可观，因此零电流转换（ZCT）对于提高电路的性能有重要的意义。图7-57所示为ZCT谐振极型三相PFC变换器电路，在主开关管关断之前，相应的辅助电路动作，使得流过主开关管的电流转移到谐振电感和电容组成的谐振回路上，从而实现主开关管的零电流关断。主电路仍采用传统的硬开关变换器使用的PWM或者SVM控制方式。通过改进ZCT变换器的控制策略，可以实现主开关管和辅助开关管的零电流开通和零电流关断，但是在改进的控制策略中，每个辅助开关管在一个周期内需要动作两次，即在主开关管关断之前和主开关管开通之前动作，这增加了控制的复杂性。图7-58所示为ZCT谐振极型PFC变换器一相等效电路换流阶段电路，图7-59表示其对应关键点波形。

图7-53 采用耦合电感的六开关谐振极型三相PFC变换器中一相换流的等效电路

图7-54 关键点波形

图7-55 单开关ZVT谐振极型软开关三相PFC变换器电路

图7-56 改进的单开关ZVT谐振极型三相PFC变换器电路

图7-57 ZCT谐振极型三相PFC变换器电路

图7-58 ZCT谐振极型PFC变换器阶段等效电路

图7-59 ZCT谐振极型三相PFC变换器关键点波形

前面论述的ZCT谐振极型变换器都使用了六个辅助开关管。图7-60所示为只采用三个辅助开关管的ZCT谐振极型三相PFC变换器。该电路能够实现主开关管和辅助开关管的零电流关断，并且不需要对传统的PWM控制或者SVM控制作修改。图7-61所示为三个辅助开关的ZCT谐振极型三相PFC变换器中一相等效电路ZCT换流阶段电路，图7-62表示其对应关键点波形。

图7-60 三个辅助开关管的ZCT谐振极型三相PFC变换器电路