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，該領域增長動力強勁，預計未來五年的復合年增長率將達到 30%。充電基礎設施，尤其是快速直流 EV 充電樁，需要跟上電動汽車的發展步伐，以有效推動電動汽車的普及。這些 AC/DC 轉換系統需要在前端使用三相 PFC 拓撲結構，以高效且有效地提供 10 kW 以上的功率。隨著 EV 快速充電接近 400 kW，PFC 級正在成為直流充電關鍵的一環。除了 EV 充電之外，還有其他用到三相電的高增長市場，例如用于電網儲能系統 (ESS) 的雙向轉換器和用于工業場所和數據中心的大型不間斷電源 (UPS)。此外，隨著連接到電網的開關電源系統的增加，對于電磁干擾限制和諧波失真的監管也越來越嚴格，例如 IEC?6100?3/12。PFC 通常是減少干擾和諧波含量的解決方案之一。

推動三相 PFC 拓撲結構普及的第二個驅動因素是碳化硅 (SiC) 功率半導體的出現。SiC 器件具有更高的擊穿電壓和更低的開關損耗，相比于硅基開關，可在更高頻的情況下實現高效率，因此能在尺寸、成本和性能方面提供全面的解決方案。SiC MOSFET 和二極管正在為電力電子器件提供更高功率和更高電壓的應用。

圖1. 在電動車充電AC/DC 轉換中使用三相PFC的需求激增。

推動使用三相 PFC 的其他應用包括用于工業場所和數據中心的儲能系統 (ESS) 和不間斷電源 (UPS)。

本文介紹了三相系統的主要優勢，并深入探討了三相 PFC 的基本設計注意事項。此外，還介紹了市場上常見的三相 PFC 升壓拓撲結構，并討論了它們的優缺點。總的來說，本文提供了有關如何從頭開始了解三相 PFC 設計的指導，并介紹了如何根據應用要求選擇合適的拓撲結構。

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并減少每瓦特所需的布線、尺寸或重量。此外，三相系統提供恒定功率輸出，而單相系統具有可變輸出功率，通常需要大型低頻濾波器為負載供電。

如果看一下單相配電系統（有兩根電線：相線和中性線）提供給特定電壓 (V_RMS) 和負載 (R) 的功率，可以得到：

（公式1）

并且

（公式2）

如果將電壓和電流相乘得到瞬時功率并取平均值，可以得到：

（公式3）

并且

（公式4）

或

（公式5）

圖2直觀展示了這些公式并揭示了單相系統的一個重要特征。瞬時輸出功率不是常數，而是V_Line的函數。

圖2.單相電網的功率流

單相配電系統的另一個基本特征與功率密度有關。如果我們想在使用相同的導線橫截面或規格的情況下將功率增加三倍，我們需要將導線數量增加三倍：3 根相線，3 根中性線。

對于平衡的三相配電系統，每個電壓都與其他電壓有 ±120° 的相移。如果對這 3 個電壓求和，可以得到：

（公式6）

如果使用向量模型來表示電壓，然后將它們相加，將始終獲得零的結果。這些向量代表一個等邊三角形。

這個公式的結果是，只有 3 根電線承載 3 個正弦電壓，它們之間的相移為 ±120°，不需要中性線。我們可以僅用 3 根電線而不是 6 根（使用 3 個單相連接）承載 3 倍的功率。這大大減少了承載相同功率所需的布線量。

這種 ±120° 相移的另一個結果體現在連接到每條線路的 3 個負載 R 所接收到的功率（在 △ 或 Y 配置中）。對于 Y 配置，我們得到以下公式（△ 配置也可以得到類似的結果）：

（公式7）

可以簡化為：

（公式8）

現在，任何時候可用的功率量都是恒定的，等于平均單相系統功率的 3 倍。因此，不同于單相 PFC，三相 PFC 無需大型無源存儲元件（電感器、電容器）來過濾瞬時功率和提供恒定功率。圖 3 展示了這種特性，與單相系統形成對比。

圖3.三相電網的功率流

如今，負載集成了二極管和晶體管等非線性器件。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，有時會由于系統中的瞬變而對每個相位施加不同的負載。這會導致不平衡的三相系統。沒有中性線，電壓中點不平衡且不等于零，導致每條線路中的電壓幅值不相等，并可能出現過壓/欠壓故障。

一個常見的想法是，三相連接的負載會自動平衡，不需要PFC。對于電源之類的非線性負載，情況并非如此。

與單相電壓分配一樣，為了優化輸送到負載的功率，電流需要與電壓具有相同的形狀，以最大化功率因數并使其盡可能接近 1。來自交流電網的線路電壓是正弦波，因此電流應該也是這樣。這同樣適用于三相系統。所有三相電流的形狀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 會調節出與電壓盡可能同相的三平衡正弦電流，與單相系統相比，這帶來了另一層復雜性。

其次，如果我們假設一個恒定的線性負載或一個 PFC 前端，三相配電可以提供恒定的輸入水平（圖3綠色實線），而單相配電的輸入是一個幅值最大為2倍平均功率的正弦波形（圖 2紫色虛線）。為了將該波形重塑為恒定值，需要一個大的低頻存儲元件來濾波并向負載提供恒定功率。這種存儲元件（通常是電解電容器）體積龐大，是單相 PFC 的薄弱環節，會限制系統的壽命。