学术简报｜新方法可有效抑制PFC变换器的电压尖峰问题
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黑龙江大学机电工程学院、哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院的研究人员孟宪增、孟涛、贲洪奇，在2019年第16期《电工技术学报》上撰文（论文标题为“基于无源钳位方式的三相单级全桥功率因数校正变换器电压尖峰抑制策略”），针对三相单级全桥功率因数校正（PFC）变换器的电压尖峰问题，提出一种基于无源钳位方式的抑制策略。
与已有的基于无源缓冲方式的电压尖峰抑制策略相比，采用所提方法的PFC变换器电压尖峰抑制效果更好，并且各开关管附加电流应力更小。详细分析采用所提无源钳位方式PFC变换器的工作原理，以及钳位电路中集成变压器的作用机理。
在此基础上，对所提钳位电路的关键参数进行分析，归纳该钳位电路的设计原则。最后，在已搭建的三相单级全桥PFC变换器实验平台上进行实验研究，实验结果验证了所提方法的可行性以及理论分析的正确性。
有源功率因数校正（Power Factor Correction, PFC）技术是抑制谐波电流、提高功率因数的有效方法，也是近年来电力电子技术领域中的研究重点。通常PFC技术包括单级型和两级型两类，单级PFC变换器采用一级功率变换电路同时完成PFC与DC-DC变换的功能，具有简单、高效等优势，是PFC技术的重要发展方向。
目前，关于单级PFC技术的研究大多集中在中小功率领域，中大功率领域的研究相对较少。在中大功率领域，变换器通常采用全桥式拓扑。其中，隔离全桥升压式结构具有开关管软开关、输入输出电气隔离以及不存在桥臂直通问题等优势，非常适合在隔离DC-DC变换器以及单相、三相单级PFC变换器中采用。
然而，隔离全桥升压式结构本身存在一个必须解决的问题：由于功率变压器一次侧漏感的存在，各开关管在关断瞬间承受很大的电压尖峰，严重降低了该类变换器运行的可靠性。
为了解决该类型变换器的电压尖峰问题，国内外研究人员进行了大量的研究工作，并提出了多种有效的抑制方法。已有的各种抑制方法大致可分为有源方式和无源方式两类。
代表性的有源抑制方式主要有：有学者采用了基本的单开关有源钳位电路，该方案是目前应用最多的抑制方法；有学者针对单相PFC变换器提出了一种改进的有源钳位电路；有学者介绍了一种双开关钳位电路；有学者分别采用了一种单开关辅助电路。
采用上述各种方法后，各类变换器的电压尖峰得到了有效抑制。然而，这些有源抑制方式存在着相同的缺陷：因额外引入一个（或多个）功率开关，增加了控制电路的复杂程度，从而降低了整个系统的可靠性。
目前典型的无源抑制方式主要有：
有学者利用RCD吸收电路来抑制电压尖峰，然而，采用该方法将会增加整个系统的损耗；
有学者通过在变压器一次侧增加LC谐振环节来抑制电压尖峰，该方法同时还实现了开关管的软开关，但是谐振环节的能量不能向输入或输出侧传输，因此同样增加了整个系统的损耗；
有学者在单相、三相PFC变换器中分别采用无源缓冲电路来抑制电压尖峰，该方法具有简单、可靠、无需控制的优势，然而由于缓冲电路中LC参数设计的限制，使得电压尖峰无法彻底消除，另外还增加了功率器件的电流应力；
有学者针对单相PFC变换器提出一种多级无源缓冲的电压尖峰抑制策略，然而由于结构的特殊性，该方法并不适合三相PFC变换器。
与有源方式相比，各种无源抑制方式具有结构简单、无需控制的优势。目前已有的无源抑制方式大多针对该类隔离DC-DC变换器以及单相PFC变换器提出。为此本文针对该类三相PFC变换器，提出一种基于无源钳位方式的电压尖峰抑制策略，所提方法也可用于该类隔离DC-DC变换器，但不适用于该类单相PFC变换器。与已有的无源缓冲方式相比，采用所提方法的三相单级PFC变换器具有电压尖峰抑制效果好、功率器件电流应力小的特点。
图11 实验平台照片
本文提出一种基于无源钳位方式的三相单级全桥PFC变换器电压尖峰抑制策略。采用所提方法后，PFC变换器的电压尖峰被钳位电路中的两个电容吸收，并且电容吸收的能量在一个充电周期内由钳位电路直接传输至负载并释放。在所提钳位电路中，由于集成变压器一次绕组的耦合作用，在变换器的运行过程中实现了两个吸收电容电压的自然均衡。
理论分析与实验结果表明：与已有的基于无源缓冲方式的电压尖峰抑制策略相比，采用所提无源钳位方式时的PFC变换器具有电压尖峰抑制效果好、开关管附加电流应力小的特点，因此所提方法更适合在三相单级全桥PFC变换器中应用。