基于辅助环节的三相单级全桥PFC及其在电网不平衡时的运行机理与控制方法研究

A three-phase single-stage PFC technique based on current-fed isolated full-bridge topology as well as the operation and control problems of these type PFC circuits under unbalanced voltage conditions are investigated. An auxiliary converter which has the common switches with the main circuit is adopted to achieve voltage spike suppression and starting-up of this type three-phase PFC circuit. A low power DC/DC auxiliary converter is studied, with appropriate control method, it can achieve voltage spike suppression, starting-up, magnetic bias suppression and output voltage ripple compensation of this type single-phase PFC circuit; on this basis, according to the requirements of high power single-stage PFC technique, this type combined three-phase PFC circuit is investigated, furthermore, a synchronization operation method of the auxiliary converters is proposed, and each related problem of the combined three-phase PFC circuit can be resolved by the auxiliary converters. The change mechanism of the relevant performance indexes in the PFC circuits under unbalanced voltage conditions is analyzed in detail. A variable duty cycle control strategy based on harmonics injection is proposed, which is suitable for this type three-phase PFC circuit to operate under unbalanced voltage conditions. In addition, based on the synchronization operation method of the auxiliary converters, a control strategy of the auxiliary converters is proposed, which can realize the compensation of the double frequency fluctuation of output voltage in the combined three-phase PFC circuit under unbalanced voltage conditions.

研究基于电流型隔离全桥拓扑的三相单级PFC技术以及该类PFC电路在电网不平衡情况下的运行与控制问题。利用一种与主电路开关管复用的辅助能量变换环节解决该类三相PFC电路的电压尖峰抑制与起动问题。研究一种小功率DC/DC辅助能量变换环节，配合适当的控制方式，同时实现该类单相PFC电路的电压尖峰抑制、起动、变压器偏磁抑制与输出电压纹波抑制；在此基础上，针对大功率领域单级PFC技术的要求，对该类组合型三相PFC电路进行研究，提出一种各辅助环节的同步工作方式，并利用辅助环节解决组合型三相PFC电路的各类相关问题。对电网不平衡时PFC电路相关特性指标的变化机理进行深入分析，提出并研究一种适合该类三相PFC电路在电网不平衡情况下工作的基于谐波注入方式的变占空比控制策略，另外，在各辅助环节同步工作的基础上，提出一种实现电网不平衡情况下组合型三相PFC电路输出电压2倍频波动补偿的辅助环节控制策略。

本项目针对基于辅助环节的三相单级全桥PFC变换器、组合型三相单级全桥PFC变换器展开研究，重点研究了利用辅助环节解决该类变换器的电压尖峰抑制、起动与输出电压纹波抑制等问题，以及该类变换器在电网不平衡条件下的运行与控制问题。本项目在以下3个方面取得了一定的研究进展。. (1) 针对该类三相PFC变换器，提出1种基于反激式无源辅助环节的电压尖峰抑制方法，以及1种基于交流侧拓扑演变的反激式起动方法，解决了变换器的电压尖峰与起动的问题；在此基础上，分别利用2种无源辅助环节同时实现该变换器的电压尖峰抑制与正常起动，简化了整个系统的结构；在明确电网不平衡对三相PFC变换器影响机制的基础上，提出1种适合该变换器在电网不平衡条件下运行的占空比拟合方法，提高了变换器在电网不平衡时的功率因数，并改善了输出电压的波形质量。. (2) 针对该类单相PFC变换器的电压尖峰抑制问题，基于传统的有源箝位方法，提出1种改进型有源箝位方法，在整个工频周期内实现了变换器的电压尖峰抑制；在此基础上，利用1个结构简单的反激式有源辅助环节同时解决了该变换器的电压尖峰抑制以及输出电压纹波补偿等问题，简化了整个系统的结构。. (3) 分别对交流侧采用星形、三角形连接，输出侧并联方式的组合型三相PFC变换器进行研究，明确了组合型三相PFC变换器输出电压纹波的减小机制；提出1种适合该变换器在电网平衡情况下运行的控制策略，实现了电网平衡条件下的3个电路单体功率的自然均衡；在明确电网不平衡情况对变换器影响机制的基础上，提出1种适合该类变换器在电网不平衡条件下运行的双比例因子控制策略，以及1种输入电压前馈策略，解决了该变换器在电网不平衡时的电压、电流谐波以及各相电路功率不平衡的问题。. 本项目的各项研究结果为单级PFC技术在中大功率领域的应用奠定坚实的理论基础。