PFC技術(shù)目前已經(jīng)被成功應(yīng)用到了中小功率開關(guān)電源產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程中,通過對功率因數(shù)校正的合理利用,工程師可以有效提升其工作效率。在今天的文章中,我們將會(huì)通過一個(gè)實(shí)際案例,來為各位新人工程師們進(jìn)行實(shí)例解析,看在三相不控整流電路中應(yīng)當(dāng)如何有效實(shí)現(xiàn)其PFC設(shè)計(jì)。
三相不控整流電路是一種在中小功率開關(guān)電源設(shè)計(jì)中,比較常見的電路設(shè)計(jì)類型。但是,這種電路系統(tǒng)也有其本身的缺點(diǎn),那就是即使負(fù)載等效為一個(gè)電阻,也不能獲得滿意的功率因數(shù),需要人工進(jìn)行PFC設(shè)計(jì)。出現(xiàn)這一問題的根本原因在于,三相不控整流電路中三相電壓通過不控整流橋互相耦合,輸入電流是三個(gè)相電壓的函數(shù),不可能同時(shí)兼顧三相輸入電流,使任何一相輸入電流都不能獨(dú)立控制為正弦波形,必須對三相輸入電壓進(jìn)行解耦。下圖中,圖1所展示的是就一種大電容濾波的三相不控整流電路結(jié)構(gòu)。
圖1 大電容濾波的三相不控整流電路
結(jié)合圖1所給出的這種電路結(jié)構(gòu),下面我們就來對該種大電容濾波的三相不控整流電路進(jìn)行仿真分析。在仿真模擬過程中,我們所設(shè)置的各項(xiàng)參數(shù)如下:輸入相電壓有效值Ui=220V/50Hz,輸出濾波電容C=1800μF,負(fù)載R=50Ω。任意一相的輸入相電壓相電流波形如圖2所示,圖3為輸入電流的諧波分析圖,仿真測量的功率因數(shù)值為0.566。通過仿真結(jié)果可以看出,這種電路具有功率因數(shù)低,輸入電流的總諧波畸變程度大,輸入諧波電流含量嚴(yán)重超標(biāo)的缺點(diǎn)。
圖2 大電容濾波的三相不控整流電路輸入電壓電流波形
圖3 大電容濾波的三相不控整流電路輸入電流諧波分析
在了解了這種大電容濾波的三相不控整流電路的缺點(diǎn)之后,針對其本身所存在的缺陷,我們所采用的PFC改良方法,是選擇橋前采用LC濾波器橋后采用電抗器對這一電路系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計(jì),以此來達(dá)成PFC(功率因數(shù)校正)的目的。橋前采用LC濾波器橋后采用電抗器的三相無源PFC電路如圖4所示,其特點(diǎn)是分別在原有三相全橋整流電路的交流輸入側(cè)加無源濾波器電感和電容,其三相交流輸入端每相分別串聯(lián)濾波電感L,輸入濾波電容C采用三角形接法。同時(shí)在原有三相不控整流電路的整流橋后負(fù)載之前串聯(lián)一個(gè)電抗器。
圖4 橋前采用LC濾波器橋后采用電抗器的三相無源PFC電路
在了解了圖4所介紹的這種橋前采用LC濾波器橋后采用電抗器的三相無源PFC電路設(shè)計(jì)情況后,下面我們就來針對這一三相無源PFC電路進(jìn)行Matlab軟件仿真研究。主要仿真參數(shù)的設(shè)置情況如下:三相交流輸入電壓為Ui=220V/50Hz。輸入濾波電容參數(shù)C1=C2=C3=20μF,輸入濾波電感參數(shù)L1=L2=L3=10mH,三相整流橋輸出濾波電容C=1800μF,電感L=15mH,負(fù)載電阻R=50Ω。
圖5(a)橋前采用LC濾波器橋后采用電抗器的三相無源PFC電路輸入電壓電流波形
圖5(b)橋前采用LC濾波器橋后采用電抗器的三相無源PFC電路輸入電流諧波分析
經(jīng)仿真后,這一進(jìn)行了PFC設(shè)計(jì)的電路的輸入相電壓Ui和相電流ii的仿真波形和輸入電流的諧波分析圖,分別如圖5(a)、(b)所示。通過測量后,求得功率因數(shù)值為0.804總的諧波失真率THD=15.3%。通過對圖5所給出的仿真結(jié)果與圖3的對比后發(fā)現(xiàn),在這種三相不控整流電路的交流輸入端加LC無源濾波器,能夠有效降低輸入相電流的THD值,提高了電路的功率因數(shù)。整流橋后串聯(lián)電抗器與未串聯(lián)電抗器相比,電流波形改善非常明顯。