三相功率因數校正（PFC）系統，也稱為有源整流或有源前端系統，近年來需求急劇增加，引起了人們的廣泛關注。 推動這一趨勢的主要因素有兩個。 本文是系列文章中的第一篇，將重點介紹三相功率因數校正系統的優點。
圖 1 總結了一些需要 PFC 前端的常見應用。 首先是汽車電子，經過幾年的發展，預計未來五年將以30%的復合年增長率增長。 充電基礎設施，尤其是快速直流電動汽車充電器，需要與電動汽車保持同步，以有效推動電動汽車的採用。 這些 AC DC 轉換系統需要前端採用三相 PFC 拓撲結構，以高效且有效地提供超過 10 kW 的功率。 隨著電動汽車快速充電接近 400 kW，PFC 級正在成為直流充電的關鍵部分。 除了電動汽車充電之外，三相電力還有其他高增長市場，例如用於電網儲能系統（ESS）的雙向轉換器以及用於工業場所和資料中心的大型不間斷電源（UPS）。 此外，隨著併網開關電源系統的增加，對電磁干擾限值和諧波失真的規定也越來越嚴格，如IEC 6100 3 12。 PFC通常是減少干擾和諧波含量的解決方案之一。
推動採用三相PFC拓撲的第二個驅動因素是碳化矽（SiC）功率半導體的出現。 與矽基開關相比，SiC器件具有更高的擊穿電壓和更低的開關損耗，可以在更高的頻率下實現高效率，從而在尺寸、成本和效能方面提供全面的解決方案。 SiC MOSFET和二極體為電力電子器件提供更高功率和更高電壓的應用。
圖1在電動汽車充電的交流直流轉換中使用三相PFC的需求激增。
推動使用三相 PFC 的其他應用包括用於工業場所和資料中心的儲能系統 （ESS） 和不間斷電源 （UPS）。
本文介紹了三相系統的主要優勢，並深入探討了三相PFC的基本設計注意事項。 此外，還介紹了市面上常見的三相PFC公升壓拓撲結構，並討論了它們的優缺點。 總而言之，本文提供了有關如何從頭開始理解三相PFC設計的指導，並介紹了如何根據應用要求選擇正確的拓撲結構。
與單相配置相比，三相系統可實現更高功率的系統，具有更高的功率密度，並減少了每瓦所需的佈線、尺寸或重量。 此外，三相系統提供恆定的功率輸出，而單相系統具有可變的輸出功率，通常需要大型低頻濾波器來為負載供電。
如果您檢視單相配電系統（具有兩根線：相線和中性線）向特定電壓 （VRMS） 和負載 （R） 提供的功率，則會得到：
等式 1） 和。
等式 2）如果將電壓和電流相乘得到瞬時功率並取平均值，則得到：
等式 3） 和。
等式 4） 或。
等式 5）圖 2 視覺化了這些公式，並揭示了單相系統的乙個重要特徵。瞬時輸出功率不是常數，而是VLINE的函式。
圖2單相電網中的功率流。
單相配電系統的另乙個基本特徵與功率密度有關。 如果我們想在相同的導線橫截面或規格下將功率增加三倍，我們需要將導線數量增加三倍：3 相，3 個中性線。
對於平衡的三相配電系統，每個電壓與其他電壓有 120° 的相移。 如果將這 3 個電壓相加，則得到：
等式 6）如果使用向量模型來表示電壓，然後將它們相加，則始終會得到零結果。這些向量表示乙個等邊三角形。
該公式的結果是，只有 3 根導線承載 3 個正弦電壓，它們之間的相移為 120°，並且不需要中性線。 我們只需 3 根電線而不是 6 根電線（使用 3 個單相連線）即可承載 3 倍以上的電力。 這大大減少了承載相同功率所需的佈線量。
這種 120° 相移的另乙個結果是連線到每條線路的 3 個負載 r 接收到的功率（在 or y 配置中）。 對於 y 配置，我們得到以下公式（配置也可以得到類似的結果）：
等式7）可以簡化為：
等式 8）現在，任何給定時間的可用功率都是恆定的，相當於平均單相系統功率的 3 倍。因此，與單相PFC不同，三相PFC不需要大型無源儲存器元件（電感器、電容器）來過濾瞬時功率並提供恆定功率。 圖 3 說明了與單相系統相比的這一特性。
圖3三相電網中的功率流。
過去，負載基本上是線性的（電阻器、電感器或電容器）。 如果施加在三相配電系統上的三個負載相同，則稱該系統是“平衡的”，並且三相系統的電流之和為零。 如上一章所述，在這種情況下不需要中性連線。
如今，二極體和電晶體等非線性器件已整合到負載中。 輸入電流形狀可能與正弦波形有很大不同。 最重要的是，如果我們不小心，有時由於系統中的瞬態，每個相位都會施加不同的負載。 這導致了三相系統不平衡。 沒有中性線，電壓中點不平衡，不等於零，導致每條線路的電壓幅值不相等，並有可能發生過壓和欠壓故障。
乙個常見的想法是，三相連線的負載是自動平衡的，不需要PFC。 對於非線性負載（如電源），情況並非如此。
與單相電壓分配一樣，為了優化輸送到負載的功率，電流需要與電壓相同，以最大限度地提高功率因數並使其盡可能接近 1。 來自交流電網的線路電壓是正弦波，因此電流應相同。 這同樣適用於三相系統。 所有三相電流的形狀都應與三相電壓的形狀相同。 此外，三相系統電流也必須平衡（即電流之和應為零）。 因此，在三相系統中，PFC將三平衡正弦電流調節為盡可能與電壓同相，與單相系統相比，這又增加了一層複雜性。
可以看出，隨著電力容量的增加和新應用的出現，三相系統在配電和電能轉換方面具有明顯的優勢，這促成了它的普及，現在隨著新趨勢的出現，它正在加速。 首先，三相系統的功率密度更高，因為三線允許的功率是單相兩線配電的 3 倍。
其次，如果我們假設乙個恆定的線性負載或PFC前端，三相分布可以提供恆定的輸入電平（圖3，綠色實線），而單相分布的輸入是乙個正弦波形，其幅度高達平均功率的2倍（圖2，紫色虛線）。 為了將該波形整形為恆定值，需要乙個大型低頻儲存元件來濾波並向負載提供恆定功率。 這種儲存元件（通常為電解電容器）體積龐大，是單相PFC的薄弱環節，限制了系統的使用壽命。
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