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解讀CCM的PFC過零點附近的電流振蕩問題

電子設計 ? 2021-01-22 16:29 ? 次閱讀

回家跟朋友討論無橋TCM控制避免進入CCM的辦法,雖然還沒找到具有可行性的解決辦法。但是我根據這個問題,想起了曾經發生過的一件事情:一個單相CCM無橋TPPFC在AC電壓過零點電流振蕩的問題,技術背景是:PWM使用單極性調制,只控制兩個高頻管,另外兩個低頻做工頻開關

這個問題應該算是CCM無橋TPPFC的常見問題,典型的波形可見下圖所示。下圖中紫色是電感電流,可見在過零點附近遇到了很明顯的電流振蕩問題。

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(電感電流在AC過零點附近震蕩)

針對這個問題,我查閱過一些資料,TI的有一個AN里面有介紹過這個問題的起因和解決辦法,可見參考文獻1。拓撲結構:

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(拓撲結構)

簡單的翻譯一下文檔里面介紹的關于這個電流振蕩的起因:

CCM圖騰柱PFC的一個挑戰是輸入電流在交流過零時有很大的尖峰。這個問題是圖騰柱PFC拓撲固有的,而且起因比較復雜。能夠導致這些尖峰的原因包括開關的開啟順序、兩個工頻管的體二極管的反向恢復速度較慢、COSS、PWM信號的突然互換,都導致了這些電流沖擊。針對低頻體二極管的問題可以通過下面這個PWM邏輯來減輕影響,在AC過零點前面提前關閉低頻管,然后對高頻管進行軟啟動展開:

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(在過零點附近增加啟動)

下面是這種策略的具體實施,過零點附近停止發波。

(具體實施)

實現效果可見下圖,看起來還可以。但是如果增加了這個策略后還是無法解決過零點附近的電流振蕩那該怎么辦呢?

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(增加軟啟動后的實際測試效果)

實際上在CCM的PFC還有一個更重要的問題容易被人忽略,那就是電感電流超前于電網電壓相位,這個問題我在之前的一個視頻中提到過(視頻可見:《降低單相PFC的ithd的幾個點子》),它是因為PFC控制環路中輸入導納在低頻處是存在90°超前,正是這個原因導致了CCM的電感電流超前。更多具體的理論推導,可見參考文獻2。

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(Y1輸入導納的BODE圖)

電感電流超前電網電壓的波形:

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(電感電流超前)

當電感電流超前且在AC過零換向處,假設是從L》N穿越這個過程。低端高頻開關Q2的電流先是從D》S,然后由于電感電流先過零后改變方向,使得Q2的電流會有一段時間是從S》D流。然后高端Q1開關續流時,Q2的體二極管需要承受400V的反壓而關閉,由于之前是從S》D走的電流,所以體二極管會產生非常高的反向電流應力,再加上此時電網電壓非常低接近短路狀態,所以很容易產生較大的電流振蕩。

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(開關電流在電感電流超前效應產生了電流反向流動)

所以針對這個問題,我提出的辦法就是解決掉電感電流超前,繼而解決開關在過零點振蕩的問題。要讓補償掉電感電流的超前與電網電壓同步,可以直接滯后電流內環的給定正弦波相位即可,所以我把鎖相環的輸出直接滯后了一點,用于補償電感電流超前。通常鎖相環是sinf(theta+xxxx),xxx就是你的補償值,這樣即可把電感內環給定值滯后,讓電感電流和電網電壓同步。

可見下圖所示,電感電流和電網電壓完全同步,開關的電流波形也沒出現從S》D的流動工況:

(補償電感電流超前后的開關電流,沒有S》D流動的工況)

小結:

根據電感電流超前的表現,提出了無橋圖騰柱PFC在AC過零點容易電流振蕩的一種原因,并提出補償電感電流超前來解決這個問題的方法。目前只是一個想法,在還未實測的情況下我不敢說完全有用。感謝觀看,如果有錯誤懇請幫忙指正。

參考文獻:

1,Controlchallengesinatotem-polePFC

ByBoshengSunApplicationEngineer,HighPowerControllerSolutions

2,KonstantinP.Louganski,PhDdiss.,GeneralizedAverage-Current-ModeControlofSingle-PhaseAC-DCBoostConverterswithPowerFactorCorrection,2007

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