降压型功率因数校正电路拓扑结构综述

贾 强，亓迎川，王 栋，贺根华

(空军预警学院，湖北 武汉 430019)

0 引 言

近几年来，随着电力电子技术的发展，各行业对电能的需求量日益增加，电力整流装置也越来越成为研究的热点[1,2]。以二极管构成的全波整流桥为基础结构的整流装置将会产生大量的谐波和无功功率注入电网，对电网造成严重的污染，因此功率因数校正技术的研究迫在眉睫[3]。

根据电力电子变换器的基本结构，可以将APFC电路主要分为Buck、Boost和Buck-Boost三类[4,5]。升压型(Boost)PFC的输出电压较高，对后级DC-DC或AC-DC变换的开关管电压应力较大，不利于后级电路设计[6,7]。降压-升压型(Buck-Boost)PFC虽然输出电压可以调节，使用灵活，且开关应力较小，但其控制电路复杂、效率较低[8]。降压型(Buck)PFC电路器件电压应力较低，降压输出，对后级管子的电压应力需求较小，且其输出效率较高，对输入、输出电流具有较强的控制性能，尤其适用于大功率场合。

因此，随着各种先进控制技术的提出，Buck PFC越来越成为国内外PFC电路的研究重点，本文重点从Buck变换器的基本原理出发，分析、总结了国内外单、三相Buck PFC电路拓扑结构的优缺点，重点介绍了三相Buck PFC电路，并分析了PFC技术的发展方向，为进一步研究PFC技术提供参考。

1 降压型单相PFC拓扑结构的研究动态

Buck PFC电路较Boost PFC电路虽然有显著的优势，但是也存在着比较明显的缺点，由于其结构的限制，只能工作在输入电压高于输出电压时，因此其输入电流存在一定的固有死区，降低了功率因数，也增加了输入电流谐波。针对这一问题，国内外提出了许多改进的拓扑结构，但这些拓扑大多是在Buck变换器基本结构基础上进行改进优化。

文献[9,10]提出了一种加入谐振滤波器的新型Buck PFC电路，如图1(a)所示，该电路在输入端加入高频LC滤波电路，在输出端加入由L3C3构成的谐振滤波器，该电路解决了Buck电路中输入电压低于输出电压时输入电流波形的畸变问题，消除了输出电压纹波，提高了功率因数，但该电路中的谐振滤波参数较难设计，且输入电流的谐波含量还较高。文献[11]提出了一种新型的三电平单相Buck PFC电路，如图1(b)所示，该电路解决了输入电流不连续的问题，且开关器件承受的电压应力较低，但该电路开关管较多，损耗较大，效率较低。

将Buck电路作为前级与其他电路拓扑结合进行整流是目前国内外研究的热点，即混合式Buck PFC电路，这种电路在一定程度上克服了Buck PFC自身的缺点，电路性能较好。其主要的结合方式有Buck-Flyback[12,13]、Buck-Boost[14]这两种，但是普遍具有控制驱动难度大、导通损耗较大、谐波含量较高等缺点。

2 降压型三相PFC的研究动态

大功率电源设备一般都需要用三相交流电进行供电，三相降压型PFC电路由于其具有较低的器件电压应力和降压输出而更适合于高压大功率场合。目前三相降压型PFC也越来越成为国内外研究的热点，由此也衍生出来许多三相降压型PFC电路拓扑。根据电路的基本工作原理，可将其大致分为直接型三相PFC电路、单相单体组合型三相PFC电路和谐波电流注入型三相PFC电路三大类，下面分别对其进行分析。

图1 两种典型的单相Buck PFC电路

2.1 直接型三相PFC电路

直接型三相PFC电路如三相单开关Buck PFC电路、三相多开关Buck PFC电路、三相六开关电流型PWM整流器及其衍生结构。

单开关三相Buck PFC电路其拓扑结构如图2所示[15]。该电路是在三相全桥不控整流桥后接入了一级Buck变换器降压结构，通过控制开关管VT便可实现降压PFC功能，控制电路较简单。但该电路功率因数较低，且输入电流谐波含量较高，目前大多是对其进行改进使用。

图2 单开关三相Buck PFC电路

三相多开关Buck PFC电路一般根据开关管的数量将其分为三相三开关Buck PFC电路[16,17]、三相五开关Buck PFC电路[16]、三相八开关Buck PFC电路[18]。其拓扑结构如图3所示。三相三开关Buck PFC电路是在三相每一路都加入一个开关管，使开关管和输出滤波器分别构成一个Buck PFC结构，实现整流降压和功率因数校正功能，该电路结构简单，效率较高，但其在控制时三个开关管需要协调控制，难度较大。三相五开关Buck PFC电路是将三相三开关电路和三相单开关电路相结合，该电路功率因数高，谐波含量也较低，但该电路在工作时高频功率器件较多，损耗较大。三相八开关Buck PFC电路是在三相电流型PWM整流器的基础上进行改进，该电路工作时三组桥臂开关管VT1～VT6工作在低频状态，开关管VT+～VT-工作在高频状态，电路开关损耗较低，整体工作效率较高，但该电路工作状态较复杂，每个区间有几十种工作状态，控制策略的选取难度较大。以上电路均可以将直流输出电感分成两部分，处于上下桥臂上，这样可以降低电路的输出噪声，使输出电压更加平滑。

图3 三相多开关Buck PFC电路

三相六开关电流型PWM整流器的拓扑结构如图4所示，该电路分别在整流桥的桥臂上加入三组可控开关管和二极管串联，这样可以提高桥臂的反向阻断能力。该电路可向负载提供恒定的直流电流，其输出电压可调且低于电源的输入电压，能实现降压功能，且功率因数较高。但是该电路三相输入是耦合的，在选取控制策略时一般先进行坐标变换，控制过程计算量较大，且共存在六个高频开关管，控制和驱动都较复杂[19,20]。文献[21]在三相六开关电流型PWM整流器的基础上，提出了一种交错型降压整流器，如图5所示。该电路能较好地消除交流侧电流谐波，减少直流侧电压纹波，并且可靠性、稳定性都较高，但该电路中功率开关器件较多，开关损耗较严重，效率较低。

2.2 单相单体组合型三相PFC电路

由于三相交流电源是一个互相耦合的系统，无法直接将单相Buck PFC电路组合三相电路，不过可以先对三相去耦合之后再将其组合为三相。基于这样一个思路，近几年相继提出了有些单相单体组合型三相Buck PFC电路。

图4 三相六开关电流型PWM整流器

图5 交错型三相六开关电流型PWM整流器

文献[22,23]通Sscott变压器解耦电路，如图6所示。该电路将三相交流电源进行解耦后，将其变成了互差90°的两相输出，之后将两相作为整流桥的输入，通过控制开关管VT1、VT2实现三相PFC。Scott变压器虽然是工频变压器，但其设计过程较复杂，成本较高，并且该类变压器体积较大，使用不方便，因此这类电路并没有得到广泛的推广。

图6 Scoff变换器构成的降压三相PFC电路

2.3 谐波电流注入型三相PFC电路

对于Buck PFC电路，其自身最大的缺点是存在电流死区，使电路在任意时刻只有两相有电流流过，这也是造成功率因数低、谐波含量高的最主要原因。因此可以考虑在三相Buck PFC电路中加入一个额外的电流注入通路，让其产生的谐波电流注入断续的那一相，抵消电流死区，使输入电流趋于正弦化，从而达到了提高功率因数和减小电流谐波的目的。对于整流电路而言，谐波电流的获取主要有两个途径，即外部提供和线路内部自身提供。前者较直观但复杂度和成本高，一般都采用后者，即改善电路的结构，将电路自身产生的谐波回馈注入输入电流[24]。电路自身产生谐波的方式主要有三种，分别是变压器注入型[25]、谐振注入型[26]和双向开关注入型[27,28]。

变压器注入型的典型电路最早是由A.Ametani在三次谐波注入抑制谐波法的基础上提出，这种方法使用的工频变压器一般都较为笨重，体积、质量都较大，不方便使用，并且变压器消耗的功率较大，约占总功率的48%。谐振注入型电路是在电路中加入了额外的谐振网络，将谐振网络产生的谐波电流注入输入电流，这种方式一般是将谐波电流平均分配到三相，虽然能降低谐波含量，但谐波网络消耗功率较大，约占电路总功率的48%，使电路整体工作效率较低。双向开关注入型电路主要是在电路中加入三组背靠背的MOSFET或IGBT，研究发现，该类注入方式消耗的功率仅为总功率的5.8%，可忽略不计，并且这种方式对改善电路整体的性能有一定的贡献，在提高功率因数、降低谐波含量的同时，能够降低输出电压的谐波含量。因此，双向注入型结构是目前研究的热点和重点。

比较典型的双向注入型电路是由奥地利的科学家Johann W.Kolar最早提出。被称为SWISS整流器[29,30]。其拓扑结构如图7所示。该电路主要由三组工作在两倍于工频的低频双向开关管VTa、VTb、VTc和工作在高频的开关管VT1、VT2以及输入滤波器和输出滤波器组成。三组双向开关管实现谐波电流的回注，大大提高电路的功率因数和降低输入电流谐波；分别由VT1、L1、VD+、Co和VT2、L2、VD-、Co构成两组Buck结构，实现降压、整流的功能，通过合理的控制开关管VT1、VT2可以使电路输出稳定且低纹波的电压。该电路最大的优势是控制方式简单，可以直接用DC-DC变换器的控制方式进行控制。但该电路在双向开关管切换的瞬间会出现死区，容易使输入电流产生畸变，在设计控制策略的时候比较困难。

图7 SWISS整流器电路

近几年，在三相SWISS整流器的基础上又衍生出来了许多电路拓扑结构。文献[31]将SWISS整流器和正激变换器相结合，提出了隔离型的SWISS整流器结构，如图8所示。该电路结构实现了输入级和输出级隔离，并且具有较低的传导损耗。但是该电路由于变压器的存在，增加了高频开关管的电压应力，使SWISS整流器散失了其自身的优势，而且高频电容Ch会使高频开关管在开通瞬间存在电流尖峰，增加了开关损耗。

文献[32]提出了一种新型的双向开关电流注入拓扑结构，如图9所示。该电路通过开关管VTp、VTn和电感Ly来产生谐波注入电流，再通过双开关结构实现电流注入。该电路能实现较高的功率因数，输入电流谐波含量也较低，但该拓扑在电路中点处加入电感Ly，引起输入电流有一定的畸变，影响电路的整体性能，而且该电路需要使两个谐波产生开关管VTp、VTn和降压高频开关管VT+很好的配合，才能达到想要的目的，控制起来难度较大，且该电路相较SWISS整流器电路而言其工作效率较低。

图8 隔离型的SWISS整流器结构

图9 三次谐波注入降压型整流器

文献[33]提出了一种双向SWISS整流器结构，如图10所示，文献[34]对其控制结构进行了改进。该电路是将SWISS整流器和三相六开关PWM整流器相结合，综合了两者的优势，将SWISS整流器中的三相不控整流桥中的二极管换成了六个可控开关管，能够实现能量从AC-DC和从DC-AC的双向流动。但该电路中可控功率器件较多，且需单独控制，控制起来极其复杂，实际应用困难。

图10 双向SWISS整流器结构

文献[35]在详细分析了SWISS整流器的基础上提出了交错式SWISS整流器结构，如图11所示。该电路是将两个SWISS整流器的输入侧平行并联，输出电感交错连接。该电路最大的优点是提高了电路的冗余度，可靠性高、稳定性强，并且能工作在较大功率场合。但是该电路系统结构较复杂，只是提高了SWISS整流器的可靠性，在其他方面改进优化较小，可以根据实际情况使用。

3 PFC技术主要发展方向

根据目前PFC技术的发展情况，在今后几年内PFC技术发展趋势主要有以下几方面。

图11 交错式SWISS整流器结构

3.1 新的拓扑结构及控制策略的提出

目前PFC技术越来越成为研究的热点，已经有多种新颖的单相PFC电路被提出，并且有些电路拓扑思路独特，工作性能较好。但是对于三相PFC电路的拓扑结构还比较局限，并且大多是国外提出，国内研究相关拓扑改进的较少，这方面将成为研究热点。

三相PFC技术性能比较优越的主要有以下四种：升压型的有六开关电压型整流器结构和VIENNA整流器结构，降压型的有六开关电流型整流器结构和SWISS整流器结构，并且这四种结构均可运用于大功率场合，可以在这四种的基础上进行拓扑结构的优化和改进。

目前出现了许多如鲁棒控制、模糊控制、重复控制、单周控制等一些新型的非线性控制策略。这些控制策略均可结合数字化进行实现，虽然增加了计算的复杂性，但会大大提升电路的可控性及稳定性。

3.2 降压型PFC电路应用将更加广泛

随着对电路工作效率的求日益提高，相应的对功率器件功耗及电压电流应力有了更高的要求，而这两者相互影响。电压电流应力是造成器件损耗增加的主要原因，而降低电路所承受的电压是降低电压电流应力的主要途径，这就使降压型PFC电路的应用将更加广泛。

3.3 将现有PFC拓扑结构和其他开关电路结合

对Boost型PFC电路研究较多，但是由于其电路结构的限制，不能用于降压场合，因此又出现了多种和Boost型PFC电路相结合的电路拓扑。该类电路拓扑大多结合了Boost电路和其他电路的优点，但是该类电路的控制策略尚未成熟，是以后研究的重点。

3.4 新材料和软开关技术引入PFC电路

随着新材料工艺的不断发展，出现了许多如SiC、GaN等一些新材料，由这些材料制成的功率半导体器件具有良好的导电性能和开关特性，能够大大降低功率器件的开关损耗，提升电路的整体效率和性能。但是对于这些新材料功率器件的驱动电路研究还不成熟，需要进一步探讨。

软开关技术能够减少功率器件在开通和关断瞬间加在器件两端的电压和电流重叠时间，从而可以降低功率器件的开关损耗。这种技术主要运用在谐振变换器中，且该技术日趋成熟，可以将其运用于PFC电路中降低开关损耗，提升电路整体性能。但软开关技术增加了辅助电路的复杂程度，并且设计谐振参数也比较麻烦，需要进一步优化。

4 总 结

通过查阅大量相关文献，本文对国内外多种降压型PFC电路拓扑进行总结，重点介绍了三相降压型PFC电路拓扑，说明了各类电路拓扑的优缺点。发现对于小功率应用场合，三相降压型PFC电路将以六开关电流型整流器为主，大功率场合将以谐波注入型SWISS整流器及其拓展结构为主。