許培德

(1. 福州大學(xué), 福州 350108; 2. 福建水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 福建 永安 366000 )

改進(jìn)型倍壓Boost PFC變換器的MCM控制算法研究

許培德

(1. 福州大學(xué), 福州 350108; 2. 福建水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 福建 永安 366000 )

普通的倍壓Boost PFC變換器因具有輸入電流連續(xù)、電磁干擾小等優(yōu)點(diǎn)而作為半橋逆變器的前端得到廣泛運(yùn)用, 但其拓?fù)涞拈_關(guān)管和電感在工頻周期內(nèi)未得到充分利用. 本文針對普通倍壓Boost PFC變換器的缺點(diǎn)提出一種改進(jìn)型倍壓Boost PFC變換器, 同時(shí)引入混合導(dǎo)通模式控制算法控制此新型變換器, 有效地降低了輸入電流的畸變率(THDi), 使系統(tǒng)在全功率范圍內(nèi)均能得到一個(gè)較好的PFC效果. 最后搭建1kW的改進(jìn)型倍壓Boost PFC試驗(yàn)樣機(jī), 并在該平臺(tái)上驗(yàn)證了混合導(dǎo)通模式控制算法的可行性.

功率因數(shù)校正; 混合導(dǎo)通模式; 倍壓型

引言

Boost型拓?fù)湓诠β室驍?shù)校正中因其電流連續(xù)、電磁干擾小而得到廣泛使用[1～6], 根據(jù)其電感電流的工作情況可分為三種不同的導(dǎo)通模式: 斷續(xù)導(dǎo)通模式(Discontinuous Current Mode, 簡稱DCM)、連續(xù)導(dǎo)通模式(Continuous Current Mode, 簡稱CCM)、臨界導(dǎo)通模式(Critical Conduction Mode, 簡稱CRM), 相對應(yīng)的控制法[7～10]為DCM控制法、CCM控制法、CRM控制法. 當(dāng)輸出固定負(fù)載時(shí), Boost PFC拓?fù)淇筛鶕?jù)其輸出功率的大小選擇電感電流工作的模式, 設(shè)計(jì)電感, 并選擇相對應(yīng)的控制算法. 而對于輸出負(fù)載不斷變化的Boost PFC(比如說UPS), 輸入電流在跟蹤輸入市電電壓時(shí), 無法保證在工頻周期內(nèi)其升壓電感都工作在連續(xù)導(dǎo)通模式或者是斷續(xù)導(dǎo)通模式, 此時(shí)電感時(shí)而工作在斷續(xù)導(dǎo)通模式, 時(shí)而工作在連續(xù)導(dǎo)通模式, 即混合導(dǎo)通模式(Mixed Conduction Mode, 簡稱MCM), 相對應(yīng)的控制方法為混合導(dǎo)通模式(MCM)控制法.

Boost PFC主要用在全橋逆變器或后級直接加阻性負(fù)載中; 在輸出交流電相同情況之下, 全橋逆變器負(fù)載的輸入端母線電壓僅為半橋逆變器的50%. 當(dāng)其處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí), 考慮到Boost電路升壓變比不能隨意變化, 這就會(huì)導(dǎo)致只包含一個(gè)Boost的PFC電路無法滿足半橋逆變器輸入母線電壓的需求, 要解決這一問題, 可以在PFC電路中另外再增加一個(gè)Boost, 從而構(gòu)成倍壓Boost PFC變換器, 產(chǎn)生正負(fù)母線電壓, 滿足半橋逆變器負(fù)載及電源輸入端的要求.

筆者重點(diǎn)分析了一般性Boost PFC變換器的運(yùn)行模式, 分析結(jié)果表明, 這種拓?fù)涞碾姼幸约伴_關(guān)管還有簡化的空間, 經(jīng)過進(jìn)一步的簡化能夠創(chuàng)造全新的倍壓Boost PFC變換器. 筆者采用對比分析的方法, 以一般的倍壓Boost PFC變換器為標(biāo)準(zhǔn), 比較、提煉出新型倍壓Boost PFC變換器的優(yōu)勢之所在. 其次詳細(xì)介紹了MCM控制的此新型變換器的思路, 最后搭建試驗(yàn)樣機(jī), 試驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證了MCM控制的改進(jìn)型倍壓Boost PFC變換器的可行性.

1　拓?fù)潆娐吩?/h2>

圖1為一般的倍壓型Boost PFC帶半橋逆變器拓?fù)? 在實(shí)踐中, 若大電網(wǎng)進(jìn)入到正半周期的話, SCR1就會(huì)連通, T1、D1以及L1所形成的Boost PFC電路中就會(huì)出現(xiàn)正母線電壓(圖2(a)). 若大電網(wǎng)切換到負(fù)半周期的話, SCR2就會(huì)連通, T2、D2以及L2所形成的Boost PFC電路中就會(huì)出現(xiàn)負(fù)母線電壓(圖2(b)).

圖1　普通的倍壓Boost PFC和半橋逆變器

對圖2進(jìn)行分析可知, 在大電網(wǎng)完整周期內(nèi), 我們可以將一般的倍壓Boost PFC當(dāng)做兩個(gè)彼此互不影響的Boost PFC電路, 這種變換器的缺點(diǎn)在于電感以及開關(guān)管并沒有得到最大程度的利用. 例如, 在大電網(wǎng)處于正半波時(shí), 電感L1以及開關(guān)管T1就會(huì)運(yùn)行, 但此時(shí)L2和T2并未運(yùn)行, 而在負(fù)半波狀態(tài)下, 則出現(xiàn)完全相反的運(yùn)行情況. 這充分說明, 在一般的倍壓Boost PFC中, 有將近一半的核心零部件未能在最大程度上發(fā)揮作用.

圖2 普通倍壓型Boost PFC在一個(gè)工頻周期內(nèi)的等效電路

圖3為經(jīng)過改良后的倍壓Boost PFC帶半橋逆變器拓?fù)? 當(dāng)大電網(wǎng)處于正半周期時(shí), 包含SCR1、SCR4、L、T以及D1的Boost PFC電路中就會(huì)出現(xiàn)正母線電壓. 當(dāng)大電網(wǎng)處于負(fù)半周期時(shí), 包含SCR2、SCR3、L、T以及D2的Boost PFC電路中就會(huì)出現(xiàn)負(fù)母線電壓. 和一般的倍壓Boost PFC對比來看, 無論是在哪一個(gè)半周期內(nèi), 電感和開關(guān)管都能發(fā)揮應(yīng)有的作用, 有效提升了零部件的利用率.

圖3　改進(jìn)型倍壓Boost PFC和半橋逆變器

2　MCM控制原理

這里以Boost PFC變換器為例分析MCM控制算法. 假設(shè)電感工作在連續(xù)導(dǎo)通模式, 其對應(yīng)的CCM算法[7～9]推導(dǎo)過程如下:

在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)Boost變換器升壓電感L所承受的平均電壓

其中ΔI為電感電流變化, ΔT為時(shí)間變化.

用在DC/DC變換場合的Boost變換電路在穩(wěn)定的情況下, ΔI基本上接近于0, 電壓L承受的平均電壓VL也接近于0. 而對于應(yīng)用在功率因數(shù)校正電路的Boost變換器, 在穩(wěn)定的情況下其輸入電流iin跟蹤輸入市電電壓vin, 當(dāng)ΔT為開關(guān)周期Ts時(shí), ΔI表示的是電流參考值iref與實(shí)際開關(guān)周期的電流值iL(t)之間的差值, 可表示為

工作在連續(xù)導(dǎo)通模式下的Boost PFC變換器, 升壓電感在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)所承受的平均電壓VL由兩部分組成: 開關(guān)管導(dǎo)通期間電感兩端電壓為市電輸入電壓vin, 開關(guān)管關(guān)斷期間電感兩端電壓為反向的Vo-vin(其中Vo為輸出端電壓). 因而VL可表示為

其中D為開關(guān)管的占空比.

結(jié)合式(1)和式(3)可得到連續(xù)導(dǎo)通模式下的占空比D的表達(dá)式為

仍以Boost PFC變換器為例, 假設(shè)電感工作在斷續(xù)導(dǎo)通模式, 其對應(yīng)的DCM算法推導(dǎo)過程如下:

穩(wěn)態(tài)下, 斷續(xù)導(dǎo)通模式輸入、輸出的變壓比[10]為:

其中Io為母線電流有效值.

理論上, 輸入功率等于輸出功率, 因此Po=VinIin. 半個(gè)工頻周期電感電流的瞬時(shí)值為

依據(jù)式(7)和式(8)可得到占空比D的表達(dá)式為

MCM控制算結(jié)合了DCM、CCM算法. 在兩種算法的選擇上, 由采用的控制芯片分別計(jì)算出DCM、CCM各自算法的占空比, 選擇較小者輸出驅(qū)動(dòng)開關(guān)管.

圖5為MCM控制的改進(jìn)型倍壓Boost PFC變換器的系統(tǒng)控制框圖.

圖4　MCM算法控制圖

圖5　系統(tǒng)控制框圖

3　試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證MCM控制的改進(jìn)型倍壓Boost PFC變換器的可行性, 搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)證. 主電路(如圖3所示)參數(shù): 輸入市電電壓范圍120～260V; 輸入頻率44Hz～54Hz; 開關(guān)頻率20KHZ; 輸出電壓正負(fù)360V;升壓電感2mH; 額定功率1000W. 控制芯片采用TI公司的 TMS320F28069. 圖6為在輸入市電電壓 220V下負(fù)載為1000W時(shí)的市電輸入電壓、電流波形. 表1為在功率分別在200W、500W、1000W下的PF值和THDi值. 由圖6和表1可知輸入電流能很好的跟蹤輸入電壓, 具有高PF值、低THDi的優(yōu)點(diǎn).

表1　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖6　市電電壓、電流波形

4　結(jié)束語

本文所搭建的改進(jìn)型倍壓Boost PFC變換器試驗(yàn)樣機(jī)在實(shí)現(xiàn)與倍壓Boost PFC變換器相同功率因數(shù)校正之目的的同時(shí), 省略了一個(gè)電感和開關(guān)管, 器件成本降低; 利用MCM控制法對改進(jìn)型倍壓Boost PFC變換器進(jìn)行控制, 并在試驗(yàn)樣機(jī)上驗(yàn)證了MCM控制的改進(jìn)型倍壓Boost PFC變換器的具有PF值高、低THDi的優(yōu)點(diǎn).

[1] Colin W Clark, Fariborz Musavi, Wilson Eberle. Digital DCM detection and mixed conduction mode control for Boost PFC converters[C]. IEEE APEC, California, 2012: 1～15

[2] 陸治國, 馬雪峰, 許 黎, 等. 一種改進(jìn)的單相無橋功率因數(shù)校正器[J]. 電力電子技術(shù), 2010, 44(7): 20～21

[3] Raphael A Da Camara,Paulo P Praca,Cicero M T Cruz,et al.Voltage doubler boost rectifier based on three-state switching cell for UPS application [C]. 35th Annual IEEE Industrial Electronics Conference, 2009: 950～955

[4] 于海坤, 許建平, 張 斐, 等. 具有寬負(fù)載范圍的新型Boost功率因數(shù)校正器[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2011, 26(12): 93～98

[5] Rene P T Bascope,Luiz D S Bezerra,Carlos G C Branco. A Step-up DC-DC Converter for Non-Isolated On-Line UPS Application[C]. IEEE ISIE, Italy, 2010: 602～607.

[6] A Karaarslan,I Iskender. Average sliding control method applied on power factor correction converter for decreasing input current total harmonic distortion using digital signal processor [J]. IET Power Electron. 2012.5(5): 617～626

[7] 吳麗華, 郭偉光, 王旭東, 等. 一種用于數(shù)控功率因數(shù)校正的占空比控制算法[J]. 電機(jī)與控制學(xué)報(bào), 2010, 14(3): 92～96

[8] K. D. Gusseme, D.M. Van de Sype. A. P. M. Van den Bossche, and J. A. Melkebeek. Digitally controlled boost power-factor-correction converters operating in both continuous and discontinuous conduction mode[J]. IEEE Trans. Ind. Electron., 2005, 52(1): 88～97

[9] 葉滿園. 預(yù)測平均電流控制Boost PFC變換電路[J]. 華東交通大學(xué)學(xué)報(bào), 2011, 28(2): 24～28

[10] 姚 凱, 阮新波, 冒小晶, 等. 電流斷續(xù)模式Boost功率因數(shù)校正變換器的變占空比控制[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2011, 26(11): 14～24

Algorithm of MCM Applied in a Modified Voltage Doubler Boost PFC

XU Pei-de
(1. Fuzhou University, fuzhou 350108, China; 2. Fujian College of Water Conservancy and Electrical Power, Yong’an 366000, China)

Because of the continuous input current and small electromagnetic interference, conventional voltage doubler Boost PFC converter has been widely applied in the front-end stage of half-bridge inverter. But this conventional converter is not taking full advantage of its switches and inductances. A modified voltage doubler Boost PFC is presented in this paper aiming to make up the shortfall. Besides, the Mixed Conduction Mode Algorithm is adopted to improve the quality of the input current of the novel converter, and a good result is obtained during the full power range. Finally, a 1KW experimental prototype is set up to verify the feasibility of the MCM Algorithm.

power factor correction; mixed conduction mode; voltage doubler

TM46

A

1672-5298(2016)03-0031-04

2016-05-23

許培德(1984- ), 男, 福建永春人, 福州大學(xué)碩士研究生. 主要研究方向: 電力電子技術(shù)與電力系統(tǒng)自動(dòng)裝置