VIENNA整流器PFC控制的設(shè)計與實現(xiàn)

許繼電源有限公司 張 勇 張曉麗 王卓琳 古韶輝 吳 昊

VIENNA整流器PFC控制的設(shè)計與實現(xiàn)

許繼電源有限公司 張 勇 張曉麗 王卓琳 古韶輝 吳 昊

伴隨著電力電子技術(shù)不斷發(fā)展,電力電子裝置的應(yīng)用日益廣泛,隨之也給電網(wǎng)帶來了諧波污染。具有功率因數(shù)高,輸入電流諧波小,開關(guān)損耗低、穩(wěn)定性強等優(yōu)勢的VIENNA整流器拓撲電路應(yīng)運而生。本文基于VIENNA整流器拓撲電路可以工作在較高的開關(guān)頻率下,采用DSP實現(xiàn)PFC控制,合理的設(shè)計了主回路參數(shù)和PFC環(huán)路。最后通過試驗表明,在雙閉環(huán)控制策略下, VIENNA整流器PFC控制系統(tǒng)具有諧波含量低、功率因數(shù)高、動態(tài)性能良好的特性。

電力電子;諧波污染;VIENNA整流器;PFC控制;DSP

0 引言

VIENNA整流器拓撲電路由Kolar J。W等學(xué)者提出,此電路使用得功率器件少,功率開關(guān)管承受一半的母線電壓,減小了功率器件耐壓值,提高產(chǎn)品輸出效率[1]。VIENNA整流器拓撲電路可以應(yīng)用在不間斷電源、航空電源、風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、電動汽車充換電站、工業(yè)變頻器等領(lǐng)域。本文在VIENNA整流器拓撲結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上完成了功率主回路和DSP數(shù)字芯片控制算法的實現(xiàn),制作一臺6KW試驗樣機。

1 VIENNA整流器工作原理

圖1 VIENNA整流器拓撲原理圖

VIENNA整流器拓撲電路原理圖如圖1所示,其中Va、Vb、Vc是三相交流輸入, La、Lb、Lc是升壓電感,L1、L2、L3是濾波電感,快速恢復(fù)二極管(D1～D6)構(gòu)成不控整流橋,有源濾波部分由三個雙向功率開關(guān)管(Qa1～Qa2、Qb1～Qb2、Qc1～Qc2)星形連接實現(xiàn)三電平輸出,同時還有兩個正負母線電容C1、C2及RL電阻組成[2]。

圖2 PFC主拓撲控制結(jié)構(gòu)框圖

PFC主拓撲控制結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示:Va、Vb、Vc三相輸入經(jīng)過EMI濾波然后經(jīng)過升壓電感,由DSP芯片的模數(shù)轉(zhuǎn)換接口采樣到芯片內(nèi)核中,然后通過電壓反饋補償器,輸出反饋電壓信號 ,隨后通過乘法器將反饋電壓信號與輸入電壓的全波波形相乘,得到整流之后的電流參考值。在PFC電流合成器中還同時完成了電壓全波整流值的平方電路與除法功能,以便提高輸入電壓動態(tài)響應(yīng)速率,適應(yīng)寬輸入電壓范圍及電壓浮動較大的應(yīng)用場所。在PFC控制環(huán)路中采用的是德州儀器公司的32位片內(nèi)閃存的TMS320F2803DSP芯片,此芯片具備雙核CPU,符合本文所需的控制邏輯,一個CPU負責(zé)保護及快速采樣計算和電壓環(huán)路,另外一個負責(zé)電流環(huán)和EPWM功能[3]。

文中所述的VIENNA整流器主要采用雙閉環(huán)控制策略,即內(nèi)環(huán)電流環(huán)外環(huán)電壓環(huán),采用PI控制算法進行實現(xiàn)。電流環(huán)路通過平均值電流控制,通過電流環(huán)路對采樣的電流進行快速處理,以便其能夠更快的跟蹤指令電流,以此獲得更加理想的電流波形,此種電流環(huán)路調(diào)節(jié)動態(tài)響應(yīng)速度快,調(diào)節(jié)精度準(zhǔn)確,容易獲得穩(wěn)定電流[4][5]。

2 系統(tǒng)主功率回路參數(shù)設(shè)計

2.1 主回路參數(shù)設(shè)計

針對圖1中的VIENNA整流器拓撲電路中的元器件進行型號選擇與參數(shù)設(shè)計。

2.1.1 BOOST升壓電感選擇

帶滿載時,當(dāng)輸入電壓最低,這時流過電感電流最大:

輸入電流最大時對應(yīng)占空比:

我們?nèi)‰姼械碾娏骷y波系數(shù)值為0.2,選擇鐵氧體磁芯,磁飽和密度為0.4T(100℃),計算所需電感值:

2.1.2 肖特基二極管的選取

MOSFET關(guān)斷時,二極管中有電流流過,該電流即是電感電流?？紤]設(shè)計1.5倍的裕量。此時應(yīng)有:

根據(jù)計算結(jié)果,選用GREE公司肖特基快速恢復(fù)二極管C4D0812060R070P6,其承受電壓Vrrm=1200V。

2.1.3 功率開關(guān)管MOSFET選取

當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時,電感電流流過功率二極管,此時Vds承受最大反向壓力?？紤]設(shè)計1.5倍裕量選取功率開關(guān)管。

本產(chǎn)品采用型號為IPW60R070P6 功率開關(guān)管,其中:

2.1.4 輸出濾波電容選擇

在三相PFC環(huán)路控制中,濾波電容的容量選擇是需要根據(jù)后級能量需求及保持時間決定的。最低輸出電壓為650V,正負母線電壓為±325V:

本產(chǎn)品選用四個220uF/450V的電解電容進行串并聯(lián)。

2.2 PFC環(huán)路設(shè)計

2.2.1 PFC電流環(huán)路設(shè)計

在VIENNA整流器拓撲電路中,三相二極管電流對以PFC母線電容為等效基準(zhǔn)點的兩個并聯(lián)電容組充電,并聯(lián)電容組作為負載電源,根據(jù)基爾霍夫電流定律,流入PFC電容電流和流出PFC電容電流關(guān)系是2/3.PFC電流環(huán)路傳遞函數(shù)如圖3所示:

圖3 PFC電流環(huán)路傳遞函數(shù)

2.2.2 PFC電壓環(huán)路設(shè)計

PFC電壓環(huán)在能夠確保隨負載變換時輸出電壓穩(wěn)定的同時帶寬還應(yīng)足夠低,促使當(dāng)頻率大于100Hz時環(huán)路增益足夠低,減小母線電容在100Hz附近時電壓紋波對輸入電流的影響。若電壓環(huán)路控制不當(dāng),該調(diào)節(jié)會引起輸入電流的嚴重畸變,另外過低的電壓環(huán)路帶寬也會導(dǎo)致電壓動態(tài)調(diào)節(jié)過慢,所以在盡量滿足THD要求的狀況下可以適當(dāng)放寬電壓環(huán)路帶寬[6]。PFC電壓環(huán)路傳遞函數(shù)如圖4所示:

圖4 PFC電壓環(huán)路傳遞函數(shù)

2.2.3 輸出電壓偏壓環(huán)路設(shè)計與實現(xiàn)

經(jīng)過整流橋之后,輸出直流母線電壓有正有負,所以要控制母線電壓正負平衡,考慮引入一個比例參數(shù)。計算公式如下:

母線電壓調(diào)節(jié)環(huán)路是比例環(huán)節(jié),即存在靜差調(diào)節(jié),所以即使環(huán)路最終調(diào)節(jié)穩(wěn)定的狀況下,母線電壓依舊會存在一定偏差,如果K值越大,輸出也就越大,調(diào)節(jié)能力也就越強,這樣能保持較好的母線電壓平衡度,但這樣做也會導(dǎo)致輸入電流諧波的增加,會影響到THD指標(biāo)。由上述可以,我們需要在THD與母線電壓平衡之間做出平衡[7]。

為了消除母線電壓之間靜差,使用PI調(diào)節(jié)來代替P調(diào)節(jié),但在積分環(huán)節(jié)存在退飽和現(xiàn)象,對于不停變化的系統(tǒng)來說,積分的響應(yīng)速度慢,可能導(dǎo)致超調(diào)或者欠調(diào)節(jié),從而可能導(dǎo)致正負母線一直處于偏壓狀態(tài)。所以,我們最終采用純比例調(diào)節(jié)控制PFC母線電壓的平衡。偏壓環(huán)控制流程圖如圖5所示:

2.2.4 電流超前相位補償

PFC控制環(huán)路采用內(nèi)環(huán)電流環(huán),外環(huán)電壓環(huán)控制,三相PFC每一相都和單相Boost電路的控制方式相似。單相BoostPFC原理框圖如圖6所示:

圖5 偏壓環(huán)控制流程圖

圖6 單相BoostPFC等效原理框圖

電流超前相位補償函數(shù)是H(c),其數(shù)字化后的函數(shù)如下所示:

可以把Hc(s)取到Hc1(s)處,Hc1(s)= Hc(s)*Hi(s)簡化后可得:

在電流環(huán)計算結(jié)果Piout上減去前邊的前饋量Kc*Vin,其中輸入電壓Vin和輸出電壓Usum都是實際值,所以在我們用采樣值進行計算時,需要還原采樣系數(shù)。輸入電壓Vin用DSP芯片采樣減去中點矯正的值,PFC電壓Usum用采樣濾波后的值。

3 實驗結(jié)果驗證及分析

根據(jù)上述的整流器拓撲電路及控制策略設(shè)計并制作一臺6KW樣機。產(chǎn)品參數(shù)如表1所示:

表1 產(chǎn)品參數(shù)

實驗使用測量儀器有橫河DLM2024示波器、安捷倫數(shù)字表Agilent 34401A、橫河WT1800功率分析儀、艾德克斯電子負載。實驗驗證輸入電壓與輸入電流、輸出電流諧波畸變率和不同負載等級下產(chǎn)品效率技術(shù)指標(biāo)。

(1)輸入電壓與輸入電流波形如圖6所示:CH1通道電壓波形, CH2通道電流波形,CH1-U相輸入電壓(100V/div)、CH2-U相輸入電流(5A/div)。

圖7 輸入電壓與電流波形波形

(2)輸出ATHD波形如圖8所示:I2-U相輸入電流,I3-V相輸入電流,I4-W相輸入電流輸入,注:Element2、Element3、Element4通道有效。

圖8 輸出電流Ithd波形

(3)在額定輸入電壓380V下,不同負載等級下產(chǎn)品的效率、功率因數(shù)如表2所示:

表2不同負載等級下產(chǎn)品的效率、功率因數(shù)。