文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.173841
中文引用格式: 劉欣睿,林競力,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.
0 引言
我國電動汽車產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展,大量電動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,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)力勢必加大,會增大開關(guān)管損壞機(jī)率[9]。
本文針對平均電流控制交錯(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。
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)動信號相位相差180°,如圖1(b)所示,開關(guān)管S2的驅(qū)動信號相比開關(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。
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]:
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。
對于電感L1由式(8)、式(9)可得:
對式(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之間均會存在電流差,如圖3所示。
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。
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。
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:
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>
4 仿真驗(yàn)證
基于MATLAB/Simulink仿真軟件對采用占空比補(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。
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)