《電子技術(shù)應(yīng)用》
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交錯(cuò)并聯(lián)CCM Boost PFC變換器研究
2018年電子技術(shù)應(yīng)用第8期
劉欣睿1，林競(jìng)力1，郭筱瑛2，張煜楓1，萬 敏3，曹太強(qiáng)1
1.西華大學(xué) 電氣與電子信息學(xué)院，四川 成都610039； 2.攀枝花學(xué)院 電氣信息工程學(xué)院，四川 攀枝花617000；3.西華大學(xué) 理學(xué)院，四川 成都610039
摘要： 針對(duì)功率因數(shù)校正變換器電感電流連續(xù)導(dǎo)電模式(Continue Conduction Mode, CCM)時(shí)，兩相交錯(cuò)并聯(lián)Boost PFC變換器各支路不均流造成某一支路中開關(guān)管電流應(yīng)力加大的問題，采用占空比補(bǔ)償電流控制策略。該控制策略在平均電流控制的基礎(chǔ)上，在并聯(lián)支路內(nèi)部加入補(bǔ)償環(huán)，根據(jù)每相電流與1/2給定輸入電流的偏差程度對(duì)占空比進(jìn)行補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)了并聯(lián)兩支路的均流，最終達(dá)到減小開關(guān)管電流應(yīng)力的目的。最后，建立了仿真電路，通過仿真分析可知，未采用該控制策略時(shí)，兩支路電流分別為5 A與2.2 A，其中5 A支路MOS管的電流峰值為9.2 A；在采用占空比補(bǔ)償電流控制策略后，兩支路電流均為3.6 A，兩個(gè)MOS管的電流峰值均為6.8 A，均流效果明顯，開關(guān)管的電流應(yīng)力減小，驗(yàn)證了占空比補(bǔ)償電流控制交錯(cuò)并聯(lián)CCM Boost PFC變換器的可行性。
中圖分類號(hào)： TM7
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.173841
中文引用格式： 劉欣睿，林競(jìng)力，郭筱瑛，等. 交錯(cuò)并聯(lián)CCM Boost PFC變換器研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2018，44(8)：143-146.
英文引用格式： Liu Xinrui，Lin Jingli，Guo Xiaoying，et al. Research on interleaved parallel CCM boost PFC converter[J]. Application of Electronic Technique，2018，44(8)：143-146.
Research on interleaved parallel CCM Boost PFC converter
Liu Xinrui1，Lin Jingli1，Guo Xiaoying2，Zhang Yufeng1，Wan Min3，Cao Taiqiang1
1.School of Electric Information，Xihua University，Chengdu 610039，China； 2.School of Information and Electric Engineering，Panzhihua University，Panzhihua 617000，China； 3.School of Science，Xihua University，Chengdu 610039，China
Abstract： This paper adopts duty cycle compensation current control strategy to resolve the increasing current stress in one of the branches of the interleaved parallel Boost PFC converter, which is caused by the unequal branch current when the power factor correction converter works in inductor current continuous conduction mode. By adding the duty cycle compensation controller in the traditional controller，the branch current can be equalled and decrease the current stress. Lastly, the simulation is created. Before adopting the new strategy, the two branch current are 5 A and 2.2 A, the peak current of the MOSFET in 5 A branch is 9.2 A; After adoping the new strategy, the two branch current are both 3.6 A, the peak current of the MOSFET in both branch are 6.8 A. From the analysis of the simulation，the new strategy can achieve the equal branch current and decrease the branch current stress. Simultaneously, the feasibility of the interleaved-parallel CCM Boost PFC converter under the new strategy is verified.
Key words : interleaved parallel；Boost PFC converter；average current control；duty cycle compensation control

0 引言

    我國電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，大量電動(dòng)汽車充電行為為電網(wǎng)帶來大量諧波[1-2]。文獻(xiàn)[3]中采用Boost電路作為整流電路后級(jí)，實(shí)現(xiàn)了功率因數(shù)校正(PFC)，減小了電網(wǎng)諧波。隨著PFC技術(shù)的發(fā)展，不斷有新型PFC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提出，如倍壓PFC、無橋PFC、交錯(cuò)并聯(lián)Boost PFC等[4-5]。其中交錯(cuò)并聯(lián)Boost PFC系統(tǒng)不僅具有并聯(lián)系統(tǒng)的所有優(yōu)點(diǎn)，還能減少輸入電流紋波，降低開關(guān)管的電流應(yīng)力。在大功率場(chǎng)所通常采用工作于電感電流連續(xù)導(dǎo)電模式(Continue Conduction Mode，CCM)[6]的交錯(cuò)并聯(lián)Boost PFC變換器。

    基于現(xiàn)有PFC變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，已經(jīng)提出以下控制方法：峰值電流控制、平均電流控制、單周期控制等[7-8]。其中平均電流控制相比其他控制方法具有更加良好的動(dòng)靜態(tài)特性。

    其次，并聯(lián)系統(tǒng)中還應(yīng)考慮均流問題，若并聯(lián)系統(tǒng)兩支路電流不均衡，那么某一支路開關(guān)管所承受的電流應(yīng)力勢(shì)必加大，會(huì)增大開關(guān)管損壞機(jī)率[9]。

    本文針對(duì)平均電流控制交錯(cuò)并聯(lián)CCM Boost PFC變換器中存在的兩支路不均流造成開關(guān)管電流應(yīng)力加大的問題，對(duì)不均流原理進(jìn)行分析，并采用占空比補(bǔ)償電流控制策略，實(shí)現(xiàn)了并聯(lián)兩相Boost電路的均流控制，解決了上述問題。

1 交錯(cuò)并聯(lián)CCM Boost PFC變換器工作原理

    交錯(cuò)并聯(lián)CCM Boost PFC變換器原理圖如圖1(a)所示，穩(wěn)態(tài)時(shí)序波形如圖1(b)所示。

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    如圖1(b)所示，交錯(cuò)并聯(lián)CCM Boost PFC變換器為兩個(gè)相同Boost PFC變換器并聯(lián)而成，單個(gè)開關(guān)管S1、S2的驅(qū)動(dòng)信號(hào)相位相差180°，如圖1(b)所示，開關(guān)管S2的驅(qū)動(dòng)信號(hào)相比開關(guān)管S1滯后180°，電感L1與電感L2支路的電流波形相同，相位相差180°，所以兩支路的電流交錯(cuò)并聯(lián)后將會(huì)消除掉一部分電流紋波，從而總電流i的紋波得到減小，頻率變?yōu)橹暗?倍。

2 平均電流控制交錯(cuò)并聯(lián)CCM Boost PFC變換器的不均流問題

2.1 單個(gè)CCM Boost PFC電路電流跟蹤分析

    單個(gè)CCM Boost PFC電路如圖2所示。

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    圖2所示電路中，電感L工作于連續(xù)模式，占空比表達(dá)式為[10]：

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    根據(jù)平均電流控制策略的原理[11]，結(jié)合式(2)、式(8)、式(9)分析可知：每個(gè)開關(guān)周期，占空比不同，t(n)+d(n)T時(shí)刻與t(n+1)時(shí)刻的電感電流也就不同（隨輸入電壓vin(t(n))及占空比d(n)變化），所以電感電流具有良好的電流跟蹤特性。

2.2 交錯(cuò)并聯(lián)CCM Boost PFC電路不均流原理

    如圖1的交錯(cuò)并聯(lián)Boost PFC電路，電感L1與電感L2大小相等為L。

    對(duì)于電感L1由式(8)、式(9)可得：

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    對(duì)式(14)、式(15)分析可得：在t(n)+d(n)T時(shí)刻與t(n+1)時(shí)刻的電感L1與電感L2之間均會(huì)存在電流差，如圖3所示。

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    實(shí)際電感電流iL1與iL2跟蹤給定輸入電流iLref的波形如圖4所示，不均流現(xiàn)象明顯。

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3 占空比補(bǔ)償控制環(huán)

    由上文分析，交錯(cuò)控制中開關(guān)管的導(dǎo)通延遲導(dǎo)致iL2電流不能很好地跟蹤給定電流，發(fā)生不均流。

    為保證電感電流iL2能很好地跟蹤給定電流，在如圖1(a)所示的傳統(tǒng)平均電流控制的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，將占空比補(bǔ)償環(huán)加入傳統(tǒng)電流內(nèi)環(huán)補(bǔ)償均流占空比，使電感電流iL1與電感電流iL2均能很好地跟蹤給定電流，達(dá)到均流目的。引入占空比補(bǔ)償控制環(huán)后的控制圖如圖5所示。

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3.1 占空比補(bǔ)償控制環(huán)的原理

    為使交錯(cuò)并聯(lián)CCM Boost PFC變換器并聯(lián)兩模塊實(shí)現(xiàn)均流，考慮只有兩模塊并聯(lián)，所以設(shè)計(jì)占空比補(bǔ)償控制環(huán)時(shí)，只需在其中一條支路中加入占空比補(bǔ)償控制環(huán)，當(dāng)這一支路電感電流通過均流占空比補(bǔ)償后達(dá)到總電流的1/2時(shí)，另一支路的電流必定也為總電流的1/2，達(dá)到了兩支路均流的目的。

    由前文對(duì)不均流原理的分析，交錯(cuò)控制中開關(guān)管的導(dǎo)通延遲產(chǎn)生很小的輸入電壓增量Δvin，導(dǎo)致電感電流iL2不能很好地跟蹤給定電流，兩支路電流形成電流偏差。所以，在電流偏差源支路（電感L2支路）的電流環(huán)中加入占空比補(bǔ)償環(huán)節(jié)，將均流占空比補(bǔ)償?shù)狡骄娏骺刂频碾娏鲀?nèi)環(huán)輸出的控制占空比中，使電感電流iL2為總電流的1/2，那么電感電流iL1也為總電流的1/2，實(shí)現(xiàn)了并聯(lián)兩支路的均流。

3.2 補(bǔ)償環(huán)節(jié)算法的設(shè)計(jì)

    根據(jù)電感L2的支路電流給定值1/2(iLref)與實(shí)際值iL2的差ΔiL2占該支路電流給定值1/2(iLref)的比例得到電感L2支路的電流偏差程度：

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    交錯(cuò)并聯(lián)CCM Boost PFC變換器的直流輸入電壓vin為整流橋輸出電壓的正弦半波，其變化范圍是零到峰值電壓vpk之間，vin在零附近時(shí)，控制占空比最大，vin為峰值時(shí)，控制占空比最小。所以在占空比補(bǔ)償控制環(huán)中，能夠用于補(bǔ)償?shù)木髡伎毡茸畲笾禐榭刂普伎毡鹊淖畲笾担?/p>

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4 仿真驗(yàn)證

    基于MATLAB/Simulink仿真軟件對(duì)采用占空比補(bǔ)償電流控制策略的交錯(cuò)并聯(lián)CCM Boost PFC變換器進(jìn)行仿真研究。主電路參數(shù)為：電網(wǎng)電壓220 V，50 Hz；輸出電壓vo=400 V；電感L1=L2=800 μH；電容C=400 μF; 開關(guān)頻率為50 kHz；能夠用于補(bǔ)償?shù)木髡伎毡茸畲笾禐榭刂普伎毡鹊淖畲笾担?.78。

    兩種控制策略下電感電流及總輸入電流波形、開關(guān)管電流波形分別如圖6、圖7所示。

仿真結(jié)果表明，采用占空比補(bǔ)償電流控制相較于傳統(tǒng)的平均電流控制均流效果明顯，并且開關(guān)管電流應(yīng)力明顯降低。

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5 結(jié)論

    由于交錯(cuò)控制引起的兩并聯(lián)Boost支路不均流現(xiàn)象，本文在傳統(tǒng)平均電流控制策略的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，通過分析平均電流控制交錯(cuò)并聯(lián)CCM Boost PFC變換器，采用了占空比補(bǔ)償電流控制策略，加入占空比補(bǔ)償控制環(huán)，讓均流占空比對(duì)平均電流控制的電流內(nèi)環(huán)輸出占空比進(jìn)行補(bǔ)償，并對(duì)補(bǔ)償?shù)脑?、算法進(jìn)行了分析，最后進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。本文分析表明，占空比補(bǔ)償電流控制的交錯(cuò)并聯(lián)CCM Boost PFC變換器不僅具有傳統(tǒng)平均電流控制策略的所有優(yōu)點(diǎn)，還實(shí)現(xiàn)了兩并聯(lián)Boost支路的均流，避免了因不均流引起的某一支路開關(guān)管電流應(yīng)力過大的問題。

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作者信息:

劉欣睿1，林競(jìng)力1，郭筱瑛2，張煜楓1，萬  敏3，曹太強(qiáng)1

（1.西華大學(xué) 電氣與電子信息學(xué)院，四川 成都610039；

2.攀枝花學(xué)院 電氣信息工程學(xué)院，四川 攀枝花617000；3.西華大學(xué) 理學(xué)院，四川 成都610039)

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