由于化石燃料短缺和环境污染，加之电力电子技术的进步，越来越多的电力电子设备接入到电网中。传统的交流/直流转换整流器件，比如二极管整流器、相控整流器，不仅会造成更高的无功功率损耗，而且会在电网中引入大量谐波，严重影响电网的稳定性和质量。为保证电网的电力质量，全球组织制定了一系列标准来规范电气设备的电流谐波和功率因数，包括国际电工委员会 (IEC) 的 EN/IEC 61000-3-2 和中国的 GB17625.1。

大型功率器件，通常是三相系统，对电网的谐波振幅和功率因数具有更明显的影响。随着热泵和大功率空调的快速发展，接入电网的三相器件的数量不断增加。因此，为了保持电能质量并节约能源，对三相系统的功率因数和 iTHD 的要求变得越来越严格。

高效、高性能功率因数校正 (PFC) 技术广泛应用于三相交流/直流整流器件，以符合电流谐波标准。Vienna PFC 拓扑以低成本、高可靠性和高功率密度而闻名，被广泛应用于三相交流/直流整流器。德州仪器 (TI) 为全球客户提供各种 PFC 技术参考设计，并提供了全面的模拟器件和微控制器单元 (MCU) 选项，大幅降低了工程项目的研发周期和相关成本。

图 1-1 三相交流输入系统框图

随着热泵、大功率空调和 EV 充电站市场的增长，三相输入设备的规模正在迅速扩大。例如，全球热泵市场增长率为 12%，欧洲热泵市场增长率高达 20%。在蓬勃的市场前景的推动下，对三相系统的 PFC 技术的研究不断加深，这些系统的标准规范也在不断更新。

三相 PFC 系统的技术趋势包括：

• 开发新型 PFC 拓扑：借助电力电子器件和嵌入式处理器的发展，满足各种应用要求和系统性能需求。
• 利用数字控制方法：这对于额定功率超过 3.3kW 的器件尤其重要，因为此类器件的高功率特性要求抗干扰性和可靠性，而模拟控制方案可能无法提供。采用高性能、具有成本效益的 MCU，如 C2000 系列：用于提升响应速度和控制精度，实现更复杂的策略。
• 在由多个子系统组成的大型三相系统中集成有源电源滤波器 (APF) 和 PFC：在电网侧使用集中式有源电源滤波器进行谐波补偿，从而在电流超过 50A 的系统中节省成本并提高稳定性。
• 追求高效率和高功率密度：使用 GaN 等第三代半导体帮助提高系统效率、减小散热器的尺寸和重量，并实现更高的开关频率，更大限度地减少大部分无源器件。
• 遵守严格的全球谐波标准：应对能源危机和电网质量的影响。在欧洲，EN/IEC 61000-3-2: 2019+A1: 2021 标准已于 2024 年 4 月 9 日强制执行。在中国，更新后的 GB 17625.1-2022 于 2024 年 7 月 1 日生效，扩大了范围，涵盖了更多具有严格电流谐波要求的三相设备。

TI 提供了一整套强大的霍尔效应电流传感器、隔离式运算放大器、隔离式栅极驱动器和 C2000 系列 MCU，以及全面的辅助电源解决方案。这些解决方案为全球用户提供了具有成本效益、高性能的模拟组件和 MCU，满足实现三相 PFC 系统的硬件要求。此外，TI 还提供适用于各种 PFC 拓扑的成熟系统方案参考设计，并分享软件和硬件设计资源，以促进 PFC 技术的应用和发展。

三相 PFC 系统拓扑主要分为两种主要类型：无源 PFC 和有源 PFC。无源 PFC 系统主要由电感滤波器组成，无需控制即可运行，其功率因数通常为 0.9，电流谐波水平约为 30%。有源 PFC 拓扑包含其他半导体电源开关器件，由 MCU 控制。这些系统可以轻易地将功率因数增加到接近 1，并将电流谐波减少到 5% 以下。配备有源 PFC 拓扑的系统更容易实现 0.99 以上的功率因数。因此，三相 PFC 拓扑的主要挑战是满足电流谐波的严格要求。

图 3-1 三相无源 PFC 系统框图

图 3-2 三相有源 PFC 系统框图

过去，三相系统的电流谐波标准不太严格，不太明确，会使用无源滤波器进行功率因数校正并抑制电流谐波。但是，谐波电流仍然很大，并且无源器件既大又重。近年来，随着谐波标准越来越明确和严格，尤其是对于每相额定电流不超过 16A 的设备，有源 PFC 拓扑的采用呈现出不断增长的趋势。发生这种变化的原因在于，需要在实现高功率因数的同时保持低电流谐波电平。

例如，根据标准 EN/IEC 61000-3-2: 2019+A1: 2021，设备可分为四类：A、B、C 和 D，并指定了它们各自的谐波电流限值。此处讨论的平衡三相交流输入系统为 A 类器件。根据标准（详见表 3-1），A 类器件的谐波电流限制。

表中显示，IEC 主要设定截至第 40 次的谐波振幅限值，这些谐波振幅被视为绝对值，与基波电流振幅无关。该标准未规定总谐波失真的限制。然而，三相有源 PFC 的典型设计目标是实现低于 5% 的 iTHD。

市场上目前有多种成熟的有源 PFC 拓扑结构，如两级 PFC、T 型 PFC 和 Vienna PFC。两级 PFC 整流器拓扑简化了对双向功率流的控制，在逆变器和整流器模式下均能有效运行。由于有成熟的控制理论，该拓扑可实现可控和连续的输入电流，因此可轻松实现高功率因数和低 iTHD。但是，功率器件的开关应力很大，与输出电压电平等效，这意味着通常需要至少 1200V 的额定电压，增加了成本。为防止桥臂中发生击穿，两级 PFC 必须在设计中加入足够的死区时间，但这会影响系统的控制性能和可靠性。此外，两级拓扑具有更高的共模电压，对电磁干扰 (EMI) 抑制提出了更高的挑战。

图 3-3 两级 PFC

T 型 PFC 拓扑也有助于实现双向功率流，在两级 PFC 的基础上增加了六个额定电压为 600/650V 的功率开关器件，因此可以产生三个输出电压电平：0、+0.5Vbus 和 -0.5Vbus。与传统两级 PFC 相比，这一改进降低了电流纹波，减少了功率电感器的尺寸。此外，与两级拓扑相比，三级拓扑大幅降低了共模电压，从而提高了 EMI 性能。但是，由于死区时间的存在，可靠性和控制性能问题仍然存在。TI 提供 T 型 PFC 参考设计 TIDA-01606 作为参考。此外，此解决方案的成本较高，因此在对成本敏感的应用（如热泵和空调）中不太受欢迎。

图 3-4 T 型 PFC

Vienna PFC 拓扑是一种三级设计，使用低成本肖特基二极管替代 T 型 PFC 中的六个 1200V 高压电源开关器件。尽管从电网到负载的功率流动是单向的，但这大幅降低了系统成本。虽然用于有源三相功率因数转换的拓扑非常之多，但 Vienna 整流器仍然颇受青睐，因为它以连续导通模式 (CCM) 运行，具有固有的多级开关（三级），并且可以降低功率器件上的电压应力。桥臂被无源二极管取代，因此无需死区时间，简化了控制策略并提高了控制性能和系统效率。Vienna PFC 的共模电压与 T 型 PFC 相当，可实现良好的 EMI 性能。TI 已经提供 2.4kW Vienna PFC 参考设计 TIDM-1000，不久之后还将推出低成本的 10kW Vienna PFC 参考设计。

图 3-5 Vienna PFC

此外，TI 将无源 PFC 拓扑与三种常用的有源 PFC 拓扑进行比较和总结，如表 3-2 所示。

总之，Vienna PFC 具有低成本、高性能、高可靠性和高功率密度等优势。考虑到热泵、三相空调和电动汽车充电站的市场规模明显增大的趋势，以及对电流谐波的要求越来越严格，Vienna PFC 预计将越来越多地集成到三相系统中。