三相不控整流電路的PFC設計案例分析

PFC技術目前已經被成功應用到了中小功率開關電源產品的設計過程中，通過對功率因數校正的合理利用，工程師可以有效提升其工作效率。在今天的文章中，我們將會通過一個實際案例，來為各位新人工程師們進行實例解析，看在三相不控整流電路中應當如何有效實現其PFC設計。

三相不控整流電路是一種在中小功率開關電源設計中，比較常見的電路設計類型。但是，這種電路系統也有其本身的缺點，那就是即使負載等效為一個電阻，也不能獲得滿意的功率因數，需要人工進行PFC設計。出現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，輸入電流是三個相電壓的函數，不可能同時兼顧三相輸入電流，使任何一相輸入電流都不能獨立控制為正弦波形，必須對三相輸入電壓進行解耦。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構。

圖1 大電容濾波的三相不控整流電路

結合圖1所給出的這種電路結構，下面我們就來對該種大電容濾波的三相不控整流電路進行仿真分析。在仿真模擬過程中，我們所設置的各項參數如下：輸入相電壓有效值Ui=220V/50Hz，輸出濾波電容C=1800μF，負載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值為0.566。通過仿真結果可以看出，這種電路具有功率因數低，輸入電流的總諧波畸變程度大，輸入諧波電流含量嚴重超標的缺點。

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進行重新設計，以此來達成PFC（功率因數校正）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，其特點是分別在原有三相全橋整流電路的交流輸入側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濾波電感L，輸入濾波電容C采用三角形接法。同時在原有三相不控整流電路的整流橋后負載之前串聯一個電抗器。

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電路設計情況后，下面我們就來針對這一三相無源PFC電路進行Matlab軟件仿真研究。主要仿真參數的設置情況如下：三相交流輸入電壓為Ui=220V/50Hz。輸入濾波電容參數C1=C2=C3=20μF，輸入濾波電感參數L1=L2=L3=10mH，三相整流橋輸出濾波電容C=1800μF，電感L=15mH，負載電阻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

經仿真后，這一進行了PFC設計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所給出的仿真結果與圖3的對比后發現，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。整流橋后串聯電抗器與未串聯電抗器相比，電流波形改善非常明顯。