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并聯(lián)交錯(cuò)臨界連續(xù)PFC變換器的單周期控制

放大字體  縮小字體 發(fā)布日期:2014-10-21     來源:[標(biāo)簽:出處]     作者:[標(biāo)簽:作者]     瀏覽次數(shù):129
核心提示:
摘  要:為了利用臨界連續(xù)導(dǎo)電模式功率因數(shù)校正器(PFC)高效的優(yōu)點(diǎn),將其應(yīng)用到較大功率場合,提出一種用于臨界連續(xù)PFC的單周期控制策略。采用開關(guān)頻率和采樣頻率可變的方法,利用單數(shù)字信號(hào)處理器實(shí)現(xiàn)了3個(gè)臨界連續(xù)。PFC變換器的并聯(lián)交錯(cuò)運(yùn)行。提出的針對臨界連續(xù)PFC變換器的單周期控制器無需對開關(guān)的高頻峰值電流、電感電流過零點(diǎn)進(jìn)行檢測與判斷,筒化了臨界連續(xù)PFC交換器的控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:該方案可實(shí)現(xiàn)臨界連續(xù)PFC變換器輸入電流和輸出電壓的有效控制,可在保證高的輸入功率因教同時(shí),獲得穩(wěn)定的直流輸出電壓。
關(guān)鍵詞;電源;臨界連續(xù)導(dǎo)電模式;功率因數(shù)校正器;單周期;并聯(lián)交錯(cuò);數(shù)字控制

    連續(xù)導(dǎo)電模式(continuous conduction mode,CCM)功率因數(shù)校正器(PFC)變換器在工業(yè)中已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用;但是,在CCM PFC中,高壓快恢復(fù)二極管的反向恢復(fù)損耗限制了變換器效率的提高,而在臨界連續(xù)導(dǎo)電模式(critical conductionmode,CRM)PFC可以消除該損耗,而且還可以實(shí)現(xiàn)開關(guān)管開通零電壓、零電流開通(ZVZCS),且是一種自然的、不用任何輔助功率器件的軟開關(guān),因此,CRM PFC變換器得到了廣泛的應(yīng)用。
    然而,較大的電感電流紋波導(dǎo)致單開關(guān)CRMPFC變換器一般只適用于小功率場合。為了利用CRM工作模式的優(yōu)點(diǎn),將其應(yīng)用到較大功率場合,本文提出一種單周期控制方法;谠摲椒ǹ扇菀椎貙(shí)現(xiàn)CRM PFC變換器并聯(lián)交錯(cuò)運(yùn)行,將CRMPFC變換器應(yīng)用到較大功率場合,同時(shí),并聯(lián)工作可減小器件的電流應(yīng)力,交錯(cuò)技術(shù)可減小總輸入電流高頻紋波幅值、提高總輸入電流的紋波頻率,降低輸入端EMI濾波器的體積。

1 CRM PFC變換器的工作原理
    CRM PFC變換器的系統(tǒng)原理如圖1所示。

    由圖1可見,主電路采用Boost拓?fù),控制部分采用開關(guān)頻率可變的峰值電流控制方法,其中L為電感,D為二極管,S為開關(guān)管?刂戚斎霝殡娏鱥波形和輸出電壓Udc的幅值。電壓控制環(huán)的輸出Uvea乘以輸入電壓Uac得到電流給定iref,使得輸入電流的包絡(luò)線跟隨iref,實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正和輸出電壓幅值控制。為了使電感電流臨界連續(xù),實(shí)現(xiàn)開關(guān)管開通的軟開關(guān)以及消除快恢復(fù)二極管的反向恢復(fù)損耗,控制器對電感電流過零點(diǎn)進(jìn)行了檢測,使開關(guān)管在電感電流值過零附近開通。

2 針對CRM Boost PFC的單周期控制器
   
由于對CRM Boost PFC變換器進(jìn)行控制,需對高頻的電感電流過零點(diǎn)和高頻的開關(guān)電流峰值進(jìn)行檢測與判斷,因此,要實(shí)現(xiàn)其數(shù)字控制具有一定的難度。因?yàn)槠淇刂埔髷?shù)字控制器要在一個(gè)高頻控制周期內(nèi),對2個(gè)高頻的信號(hào)點(diǎn)進(jìn)行檢測與判斷,由采樣定理可知,這對低端數(shù)字控制器來說是很困難的,即使采用數(shù)字控制器的外部中斷可以實(shí)現(xiàn)基本控制,但變換器的控制頻率將很低,滿足不了高功率密度變換器的要求。為此,本文提出一種開關(guān)頻率可變的單周期控制器,只需使用現(xiàn)有的低成本數(shù)字控制器就可以實(shí)現(xiàn)CRM Boost PFC變換器的控制。該控制器只需對輸入電壓和輸出電壓采樣,無需用硬件電路對高頻的電感電流過零點(diǎn)和開關(guān)管電流峰值進(jìn)行檢測與判斷。
    根據(jù)Boost變換器一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)開關(guān)管S的工作狀態(tài),可將變換器的工作模式分為2種,如圖2所示。

    在CRM工作模式下,從圖2可得到,S導(dǎo)通時(shí)


式中:uac、Udc是輸入和輸出電壓的瞬時(shí)值,假定在一個(gè)高頻開關(guān)周期內(nèi)保持不變;ton、和toff是開關(guān)管的導(dǎo)通和斷開時(shí)間。
    根據(jù)式(1)和式(2)就可得到一個(gè)用于CRMBoost PFC變換器的單周期控制方案,如圖3所示。

    由圖3可知,電感電流的參考值為

    由CRM PFC變換器的工作原理可知,電感電流的包絡(luò)是跟蹤iref的,因此,由式(1)和式(2)可以得到


    依據(jù)式(4)和(5)可得到每個(gè)控制周期開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間,實(shí)現(xiàn)電感電流的臨界連續(xù),同時(shí),通過電壓環(huán)來改變iref實(shí)現(xiàn)輸出電壓的幅值控制。
    可以看出,在每個(gè)控制周期內(nèi),ton和toff與前一個(gè)周期的狀態(tài)無關(guān),只取決于該開關(guān)周期的iref、uac和Udc,也就是說,當(dāng)給定變化時(shí),輸入電流和輸出電壓的瞬態(tài)響應(yīng)過程可在一個(gè)控制周期內(nèi)結(jié)束。

3 并聯(lián)交錯(cuò)數(shù)目N對輸入功率因數(shù)的影響
   
為了研究變換器交錯(cuò)數(shù)目N對輸入功率因數(shù)的影響,對并聯(lián)交錯(cuò)變換器的輸入電流波形進(jìn)行了數(shù)學(xué)分析與研究。N個(gè)并聯(lián)交錯(cuò)的電感電流波形,如圖4所示。

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