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      改進型數(shù)字無橋PFC變換器的研制

      2015-10-30 07:22:24于田芬陳延明
      制造業(yè)自動化 2015年12期
      關(guān)鍵詞:續(xù)流改進型導(dǎo)通

      于田芬,韋 熹,王 飛,陳延明

      (廣西大學(xué) 電氣工程學(xué)院,南寧 530004)

      0 引言

      功率因數(shù)校正(PFC)技術(shù)是降低電網(wǎng)諧波污染,提高開關(guān)電源功率因數(shù)的關(guān)鍵技術(shù)[1]?,F(xiàn)有的PFC技術(shù)主要通過整流橋?qū)崿F(xiàn)前級AC/DC轉(zhuǎn)換,再進入PFC校正環(huán)節(jié)。在大功率應(yīng)用場合,整流橋中的二極管帶來的通態(tài)損耗將大大影響系統(tǒng)的效率。不帶整流橋的無橋PFC電路作為一種高效率的拓撲結(jié)構(gòu)受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[2]。很多文獻提出了各種不同的無橋拓撲,其中最具有代表性的拓撲是雙Boost PFC(DBPFC)拓撲、雙二極管式無橋(2d DBPFC)拓撲和圖騰柱無橋拓撲[3]。其中,2d DBPFC拓撲在實際應(yīng)用中最為廣泛,其EMI性能更好,控制更簡單[4]。為了進一步降低半導(dǎo)體的通態(tài)損耗,提高系統(tǒng)的效率,本文提出將2d DBPFC拓撲中的續(xù)流二極管用MOSFET代替。

      隨著數(shù)字控制技術(shù)的迅速發(fā)展,數(shù)字控制電路以其高精度、高可靠性、低成本和調(diào)試簡單等顯著優(yōu)點成為開關(guān)電源的設(shè)計趨勢[5]。大部分傳統(tǒng)PFC的數(shù)字控制策略都可以直接應(yīng)用到無橋PFC的數(shù)字控制中,過去提出的控制方法主要有:峰值電流控制、平均電流控制和單周期控制。平均電流模式作為目前最成熟的控制方法,不需要斜坡補償、容易實現(xiàn)均流、抗干擾能力強、能對電感電流進行精確控制,應(yīng)用廣泛[6]。本文使用TI公司生產(chǎn)的TMS320F2812,采用平均電流控制策略對無橋PFC進行數(shù)字控制,將2d DBPFC和改進型無橋PFC進行對比,驗證了理論分析的正確性。

      1 改進型無橋拓撲和數(shù)字控制方案

      1.1 改進型無橋拓撲

      圖1 2d DBPFC主電路拓撲

      圖2 改進型無橋PFC主電路拓撲

      圖1和圖2分別給出了典型的2d DBPFC和改進型無橋PFC的主電路拓撲,2d DBPFC雖然能抑制系統(tǒng)的共模噪聲,但是由于電流通過二極管流向電源負端,而二極管兩端的電壓降高于開關(guān)管兩端的電壓降,所以其導(dǎo)通損耗比DBPFC拓撲要高,為了提高系統(tǒng)的效率,本文將回路中的續(xù)流二極管D3和D4用MOSFET Q3和Q4取代,在輸入電壓正半周,Q4導(dǎo)通,在輸入電壓負半周,Q3導(dǎo)通,為輸入電流提供回路。

      圖3 基于TMS320F2812控制的改進型無橋功率因數(shù)校正電路

      無橋功率因數(shù)校正電路可以看成兩個傳統(tǒng)Boost PFC電路的疊加,在輸入電壓正負半周內(nèi),電路分別通過不同的回路構(gòu)成Boost PFC電路,輸入電流和輸出電壓通過MOSFET Q1(正半周)和Q2(負半周)進行調(diào)節(jié)。其正負半周狀態(tài)的工作原理可以參照傳統(tǒng)的Boost PFC電路的工作原理來分析。

      1.2 數(shù)字控制方案

      圖3中的黑色框內(nèi)是由具有高速采樣范圍和廣泛工業(yè)應(yīng)用的TMS320F2812芯片實現(xiàn)的改進型無橋PFC的控制電路的原理圖。選用平均電流模式控制策略,包括電壓外環(huán)控制器和電流內(nèi)環(huán)控制器,控制的主要目的是:1)穩(wěn)定輸出電壓UO;2)控制輸入電流Iin的波形,使其跟蹤輸入電壓波形,從而實現(xiàn)功率因數(shù)校正的目的。

      數(shù)字控制器主要完成控制變量(輸入電壓Uin、輸入電流Iin和輸出電壓UO)的采樣,控制算法(電壓有效值、PI調(diào)節(jié)器、乘法器)的計算和PWM驅(qū)動信號(T1PWM、PWM3、PWM4)的產(chǎn)生。開關(guān)管Q1和Q2由同一個驅(qū)動信號T1PWM控制,開關(guān)管Q3和Q4分別由PWM3和PWM4控制在輸入電壓正負半周導(dǎo)通。

      基于TMS320F2812設(shè)計的程序流程圖如圖4所示,包括主程序流程圖和中斷程序流程圖。

      圖4 程序流程圖

      2 電路設(shè)計

      裝置的參數(shù)設(shè)計要求如下:

      輸入電壓:9 0~2 7 0 V A C,輸出電壓:330V*(1±1%)V;

      開關(guān)頻率:60KHz,輸出功率:300W;

      功率因數(shù):≥0.98,效率:≥95%;

      2.1 主電路參數(shù)設(shè)計

      在本設(shè)計中,電感電流處于連續(xù)導(dǎo)通模式,且允許電感電流有20%的紋波波動,在滿足允許的最大電感電流紋波的前提下,選取對稱電感L1、L2值為330uH。以滿足36ms的維持時間和耐壓要求,選取輸出濾波電容C為330uF/450V的電解電容。開關(guān)管Q1、Q2、Q3、Q4選擇IRFP460型MOSFET,輸出二極管D1、D2選擇MUR3060型快恢復(fù)二極管。

      2.2 數(shù)字PI調(diào)節(jié)器設(shè)計

      本文采用數(shù)字式再設(shè)計法對控制器進行設(shè)計,即先按照模擬控制器的設(shè)計方式設(shè)計連續(xù)域中的控制器,然后再進行離散化,常用的離散化方法有:后向差分法、雙線性變換法、階躍響應(yīng)不變法和極點-零點匹配法。其中雙線性變換法由于使用方便,具有一定的精度等優(yōu)點,在工程上應(yīng)用普遍。定點DSP在計算中不可避免的會產(chǎn)生截斷誤差,為了有效防止截斷誤差的累積,本文選用位置式的PI控制算法。

      2.3 續(xù)流管的控制

      在傳統(tǒng)的2d DBPFC中使用二極管作為續(xù)流管,在改進型的無橋PFC中兩個續(xù)流管的控制比較復(fù)雜,需要通過判斷輸入電壓的正負半周來確定開關(guān)管的通斷,本文中將采樣得到的L線和N線的電壓信號作差,當(dāng)所得到的信號為正時,說明輸入電壓在正半周,觸發(fā)PWM4驅(qū)動信號,關(guān)斷PWM3驅(qū)動信號,當(dāng)所得到的信號為負時,說明輸入電壓在負半周,觸發(fā)PWM3驅(qū)動信號,關(guān)斷PWM4驅(qū)動信號,給輸入電流提供回路,實現(xiàn)續(xù)流的功能。

      3 實驗結(jié)果

      當(dāng)輸入電壓為110V,輸出功率為300W時,測得電路的相關(guān)波形如圖5~圖8所示。

      圖5為滿載時輸入電壓和輸入電流的波形,可以看出輸入電流跟隨輸入電壓呈正弦變化,兩者相位相同,實現(xiàn)了功率因數(shù)校正的功能。圖6為開關(guān)管Q1的驅(qū)動電壓和漏源極的電壓波形。當(dāng)開關(guān)管開通時,開關(guān)管兩端電壓約為0V,當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時,開關(guān)管兩端電壓約為330V。

      圖7為DSP輸出的PWM波形與采樣得到的輸入電流波形,當(dāng)開關(guān)管開通時,輸入端電感儲能,輸入電流呈線性上升,開關(guān)管關(guān)斷時,輸入電壓和電感為輸出電容和負載提供能量,輸入電流呈線性下降。圖8為采樣得到的L線、N線電壓和Q3、Q4的驅(qū)動電壓波形,可以看出,在輸入電壓進入正半周時,開關(guān)管Q4導(dǎo)通,Q3關(guān)斷,在輸入電壓進入負半周時,開關(guān)管Q3導(dǎo)通,Q4關(guān)斷,為輸入電流提供回路。

      圖5 輸入電壓電流波形

      圖6 開關(guān)管Q1驅(qū)動電壓與漏源極電壓波形

      圖7 T1PWM與采樣輸入電流波形

      圖8 L線、N線電壓與開關(guān)管Q3、Q4驅(qū)動波形

      為了驗證該裝置對系統(tǒng)效率的改善效果,進行了損耗分析,并測量了系統(tǒng)的效率。

      根據(jù)半導(dǎo)體資料,改進型無橋拓撲中選用的開關(guān)管IRFP460的導(dǎo)通電阻的典型值為,2d DBPFC拓撲中選用的二極管FR307的正向?qū)妷篤F=0.7V,則兩者的導(dǎo)通損耗分別為:

      根據(jù)上述公式繪出了2d DBPFC中二極管和改進型無橋PFC中開關(guān)管在不同功率下的損耗曲線,如圖9所示??梢钥闯觯嗤膶嶒灄l件下,二極管的損耗高于開關(guān)管的損耗。圖10為兩者的效率曲線,改進型無橋PFC的效率更高,可達到95%以上。

      圖9 損耗對比曲線

      4 結(jié)論

      本文使用DSP作為控制器,與傳統(tǒng)的模擬控制器相比,電路結(jié)構(gòu)更簡單,調(diào)試起來更方便,同時也增強了系統(tǒng)的抗干擾能力。預(yù)期通過將典型的2d DBPFC電路中的續(xù)流二極管換成MOSFET的方法實現(xiàn)高效率,并對此方法進行相應(yīng)的損耗分析和電路效率的測量,由實驗結(jié)果分析可知此方法降低了系統(tǒng)的損耗,提高了系統(tǒng)的效率,對于目前開關(guān)電源效率的提升具有重要的指導(dǎo)意義。

      圖10 效率對比曲線

      [1] Abraham I. Pressman,Keith Billings,Taylor Morey.開關(guān)電源設(shè)計[M].北京:電子工業(yè)出版社,2010:427-431.

      [2] 劉桂花.無橋PFC拓撲結(jié)構(gòu)及控制策略研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2009.

      [3] Huber L,Jang Y,Jovanovic M M. Performance evaluation of bridgeless PFC boost rectifiers[A].Applied Power Electronics Conference,APEC 2007-Twenty Second Annual IEEE[C].IEEE,2007:165-171.

      [4] Shi K, Shoyama M,Tomioka S.A study of common mode noise current of bridgeless PFC circuit considering voltage change in Y-capacitors[A].Electromagnetic Compatibility,Tokyo (EMC’14/Tokyo),2014 International Symposium on.IEEE[C].2014:73-76.

      [5] 肖海明.基于DSP的無橋功率因數(shù)校正技術(shù)研究[D].西安科技大學(xué),2012.

      [6] Tang W, Lee F C,Ridley R B. Small-signal modeling of average current-mode control[J].Power Electronics, IEEE Transactions on,1993,8(2):112-119.

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