【学术论文】交错并联CCM Boost PFC变换器研究
摘要:
针对功率因数校正变换器电感电流连续导电模式(Continue Conduction Mode, CCM)时,两相交错并联Boost PFC变换器各支路不均流造成某一支路中开关管电流应力加大的问题,采用占空比补偿电流控制策略。该控制策略在平均电流控制的基础上,在并联支路内部加入补偿环,根据每相电流与1/2给定输入电流的偏差程度对占空比进行补偿,实现了并联两支路的均流,最终达到减小开关管电流应力的目的。最后,建立了仿真电路,通过仿真分析可知,未采用该控制策略时,两支路电流分别为5 A与2.2 A,其中5 A支路MOS管的电流峰值为9.2 A;在采用占空比补偿电流控制策略后,两支路电流均为3.6 A,两个MOS管的电流峰值均为6.8 A,均流效果明显,开关管的电流应力减小,验证了占空比补偿电流控制交错并联CCM Boost PFC变换器的可行性。
0 引言
我国电动汽车产业快速发展,大量电动汽车充电行为为电网带来大量谐波[1-2]。文献[3]中采用Boost电路作为整流电路后级,实现了功率因数校正(PFC),减小了电网谐波。随着PFC技术的发展,不断有新型PFC拓扑结构提出,如倍压PFC、无桥PFC、交错并联Boost PFC等[4-5]。其中交错并联Boost PFC系统不仅具有并联系统的所有优点,还能减少输入电流纹波,降低开关管的电流应力。在大功率场所通常采用工作于电感电流连续导电模式(Continue Conduction Mode,CCM)[6]的交错并联Boost PFC变换器。
基于现有PFC变换器的拓扑结构,已经提出以下控制方法:峰值电流控制、平均电流控制、单周期控制等[7-8]。其中平均电流控制相比其他控制方法具有更加良好的动静态特性。
其次,并联系统中还应考虑均流问题,若并联系统两支路电流不均衡,那么某一支路开关管所承受的电流应力势必加大,会增大开关管损坏机率[9]。
本文针对平均电流控制交错并联CCM Boost PFC变换器中存在的两支路不均流造成开关管电流应力加大的问题,对不均流原理进行分析,并采用占空比补偿电流控制策略,实现了并联两相Boost电路的均流控制,解决了上述问题。
1 交错并联CCM Boost PFC变换器工作原理
交错并联CCM Boost PFC变换器原理图如图1(a)所示,稳态时序波形如图1(b)所示。
如图1(b)所示,交错并联CCM Boost PFC变换器为两个相同Boost PFC变换器并联而成,单个开关管S1、S2的驱动信号相位相差180°,如图1(b)所示,开关管S2的驱动信号相比开关管S1滞后180°,电感L1与电感L2支路的电流波形相同,相位相差180°,所以两支路的电流交错并联后将会消除掉一部分电流纹波,从而总电流i的纹波得到减小,频率变为之前的2倍。
2 平均电流控制交错并联CCM Boost PFC变换器的不均流问题
2.1 单个CCM Boost PFC电路电流跟踪分析
单个CCM Boost PFC电路如图2所示。
图2所示电路中,电感L工作于连续模式,占空比表达式为[10]:
根据平均电流控制策略的原理[11],结合式(2)、式(8)、式(9)分析可知:每个开关周期,占空比不同,t(n)+d(n)T时刻与t(n+1)时刻的电感电流也就不同(随输入电压vin(t(n))及占空比d(n)变化),所以电感电流具有良好的电流跟踪特性。
2.2 交错并联CCM Boost PFC电路不均流原理
如图1的交错并联Boost PFC电路,电感L1与电感L2大小相等为L。
对于电感L1由式(8)、式(9)可得:
对式(14)、式(15)分析可得:在t(n)+d(n)T时刻与t(n+1)时刻的电感L1与电感L2之间均会存在电流差,如图3所示。
实际电感电流iL1与iL2跟踪给定输入电流iLref的波形如图4所示,不均流现象明显。
3 占空比补偿控制环
由上文分析,交错控制中开关管的导通延迟导致iL2电流不能很好地跟踪给定电流,发生不均流。
为保证电感电流iL2能很好地跟踪给定电流,在如图1(a)所示的传统平均电流控制的基础上进行改进,将占空比补偿环加入传统电流内环补偿均流占空比,使电感电流iL1与电感电流iL2均能很好地跟踪给定电流,达到均流目的。引入占空比补偿控制环后的控制图如图5所示。
3.1 占空比补偿控制环的原理
为使交错并联CCM Boost PFC变换器并联两模块实现均流,考虑只有两模块并联,所以设计占空比补偿控制环时,只需在其中一条支路中加入占空比补偿控制环,当这一支路电感电流通过均流占空比补偿后达到总电流的1/2时,另一支路的电流必定也为总电流的1/2,达到了两支路均流的目的。
由前文对不均流原理的分析,交错控制中开关管的导通延迟产生很小的输入电压增量Δvin,导致电感电流iL2不能很好地跟踪给定电流,两支路电流形成电流偏差。所以,在电流偏差源支路(电感L2支路)的电流环中加入占空比补偿环节,将均流占空比补偿到平均电流控制的电流内环输出的控制占空比中,使电感电流iL2为总电流的1/2,那么电感电流iL1也为总电流的1/2,实现了并联两支路的均流。
3.2 补偿环节算法的设计
根据电感L2的支路电流给定值1/2(iLref)与实际值iL2的差ΔiL2占该支路电流给定值1/2(iLref)的比例得到电感L2支路的电流偏差程度:
交错并联CCM Boost PFC变换器的直流输入电压vin为整流桥输出电压的正弦半波,其变化范围是零到峰值电压vpk之间,vin在零附近时,控制占空比最大,vin为峰值时,控制占空比最小。所以在占空比补偿控制环中,能够用于补偿的均流占空比最大值为控制占空比的最大值:
4 仿真验证
基于MATLAB/Simulink仿真软件对采用占空比补偿电流控制策略的交错并联CCM Boost PFC变换器进行仿真研究。主电路参数为:电网电压220 V,50 Hz;输出电压vo=400 V;电感L1=L2=800 μH;电容C=400 μF; 开关频率为50 kHz;能够用于补偿的均流占空比最大值为控制占空比的最大值:0.78。
两种控制策略下电感电流及总输入电流波形、开关管电流波形分别如图6、图7所示。
仿真结果表明,采用占空比补偿电流控制相较于传统的平均电流控制均流效果明显,并且开关管电流应力明显降低。
5 结论
由于交错控制引起的两并联Boost支路不均流现象,本文在传统平均电流控制策略的基础上进行了改进,通过分析平均电流控制交错并联CCM Boost PFC变换器,采用了占空比补偿电流控制策略,加入占空比补偿控制环,让均流占空比对平均电流控制的电流内环输出占空比进行补偿,并对补偿的原理、算法进行了分析,最后进行了仿真验证。本文分析表明,占空比补偿电流控制的交错并联CCM Boost PFC变换器不仅具有传统平均电流控制策略的所有优点,还实现了两并联Boost支路的均流,避免了因不均流引起的某一支路开关管电流应力过大的问题。
参考文献
[1] 周鹤良.中国电动汽车发展状况及建设[J].中国机电工业,2001,19(3):19-22.
[2] 高赐威,张亮.电动汽车充电对电网影响的综述[J].电网技术,2011,35(2):127-131.
[3] PRESSMAN A I.开关电源设计[M].王志强,等,译.北京:电子工业出版社,2013.
[4] 汪东,赵一,石健将,等.具有开关电容的隔离型交错并联Boost变换器[J].中国电机工程学报,2009,29(21):14-20.
[5] LU B,BROWN R,SOLDANO M.Bridgeless PFC implementation using one cycle control technique[C].Twentieth Annual IEEE,2005,2:812-817.
[6] 孙强,赵子龙,陈桂涛,等.基于CCM的Boost PFC变换器的研究[J].电力电子技术,2014,48(1):55-57.
[7] 王山山,柳绪丹,胡长生.峰值控制交错并联Boost PFC的设计[J].机电工程,2010,27(8):88-90.
[8] 王玉斌,厉吉文,田召广,等.一种新型的基于单周控制的功率因数校正方法及实验研究[J].电工技术学报,2007,22(2):137-143.
[9] 高玉峰,胡旭杰,陈涛.开关电源模块并联均流系统的研究[J].电源技术,2011,35(2):210-212.
[10] 王山山.交错并联Boost PFC变换器的研究[D].杭州:浙江大学,2010.
[11] 王源卿,李红梅.电动汽车车载充电器PFC AC/DC变换器设计[J].电子技术应用,2015,41(2):152-155.
作者信息:
刘欣睿1,林竞力1,郭筱瑛2,张煜枫1,万 敏3,曹太强1
(1.西华大学 电气与电子信息学院,四川 成都610039;
2.攀枝花学院 电气信息工程学院,四川 攀枝花617000;3.西华大学 理学院,四川 成都610039)