無橋圖騰柱結(jié)構(gòu)PFC電路結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真

摘要：采用Cascode GaN器件作為開關(guān)管，SJ-MOS作為整流管，設(shè)計了一種4000W的單相圖騰柱結(jié)構(gòu)電源PFC模塊。完成了整體框圖和拓撲結(jié)構(gòu)，設(shè)計了電流環(huán)調(diào)節(jié)器，電壓環(huán)調(diào)節(jié)器，采用PSIM軟件完成系統(tǒng)仿真。采用數(shù)字處理器為核心搭建硬件，完成仿真，編程和整機調(diào)試，實現(xiàn)功能。

關(guān)鍵詞：PFC;圖騰柱結(jié)構(gòu);PSIM仿真

中圖分類號：TP391? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）11-0112-02

寬禁帶半導(dǎo)體氮化鎵（GaN） 器件與傳統(tǒng)硅（Si） 器件相比禁帶寬度更大，擊穿電場強度更高，載流子速度更快。Cascode GaN器件即可以實現(xiàn)器件常閉工作，同時方便將傳統(tǒng)Si器件的驅(qū)動電路直接應(yīng)用于新型器?？梢詮V泛用于連續(xù)導(dǎo)電模式（CCM）升壓PFC拓撲的電源系統(tǒng)中，而相對于傳統(tǒng)Si器件。同條件下效率、溫升、BOM、體積方面體現(xiàn)出更大的優(yōu)勢。而且圖騰柱結(jié)構(gòu)的PFC電路中發(fā)揮其反向特性Qrr小，開關(guān)速度快等特點[1-2]。電路采用兩顆CASCODE的GaN器件和兩個MOSFET組成，兩顆CASCDE GaN器件作為PWM開關(guān)和升壓二極管用。兩個SJ-MOSFET作為正負半周的整流器件。分別在正負兩個半周導(dǎo)通和截至，替代傳統(tǒng)的二極管，體現(xiàn)出更高的效率。

1 電路功率部分

圖1是整個系統(tǒng)的電源部分，驅(qū)動部分，開關(guān)管部分。其中GaN1和GaN2作為PWM控制開關(guān)管，MOS1和MOS2作為同步整流管。C作為輸出電容，RL作為輸出等效電阻;L是輸入工作電感。Vin是輸入電源電壓;ISEN4是電感上電流傳感器。Voutsen作為輸出電壓傳感器;ON1-ON4作為功率管驅(qū)動電路，實現(xiàn)柵極驅(qū)動信號的保持狀態(tài)。ISEN_UP和ISEN_DOWN作為上下橋臂的電流傳感器，通過V45，V46顯示。高頻的PWM控制信號經(jīng)過ON3和ON4形成CASCODE GaN器件的驅(qū)動信號，在每半個周期內(nèi)，一個GaN器件作為PWM開關(guān)管，另一個作為續(xù)流二極管的功能，兩個GaN器件輪換角色，實現(xiàn)電感上的蓄能和釋放到輸出端，實現(xiàn)整DC-DC升壓轉(zhuǎn)換，兩個MOS管分別控制單個工頻周期每半個周期的電流通路，實現(xiàn)整流輸出[3]。

2 功率輔助功能部分

功率輔助部分實現(xiàn)初始化上電過程和小功率輕載狀態(tài)升壓過程。BD11是整流橋，將輸入電壓整流成直流直接送到輸出端。在控制系統(tǒng)沒有開始工作前，整流橋上電向輸出電容充電，輸出電壓上升到310V左右。COMP作為比較器，判斷輸入電壓的級性，正半周為0，負半周為1。C由COPM4，NOT2，NOT1，ON9，ON3，組成一個電路邏輯，由COMP4作為觸發(fā)信號，實現(xiàn)MOS的換相控制與驅(qū)動。實際電路實現(xiàn)過程采用比較器采集實際電壓，并由數(shù)字控制器完成相位控制，再由數(shù)字控制器控制驅(qū)動電路實現(xiàn)對MOS的開關(guān)。

VDC3=360V，通過比較器COMP4和輸出電壓做比較，當(dāng)輸出電壓大于360V以上，比較器輸出1，通過或門后輸出1，將延遲器MONO輸出信號屏蔽。MONO作為延遲器，觸發(fā)信號為相位換相信號，延遲一個時間后，控制系統(tǒng)輸出信號做或運算后，去控制功率MOS。這樣在輸出電壓較低時，過0點不開啟任何MOS管。延遲后再開啟，仿真了系統(tǒng)死區(qū)設(shè)置。輕載狀態(tài)下，同時在輸出電壓較低時，由于過0點附近的點最先進入電流回流，所以將這些點的PWM屏蔽，防止電流回流，盡快將輸出電壓建立起來。

3 電壓環(huán)控制器部分

電壓環(huán)控制器，是一個閉環(huán)控制器，參考變量是Vref，經(jīng)過ADC轉(zhuǎn)化和輸出電壓做減法。PA是電壓ADC轉(zhuǎn)換比例系數(shù)。通過LIMT3限幅后送電壓環(huán)PI調(diào)節(jié)器。電壓環(huán)調(diào)節(jié)器由P3，P16，UDELAY8和SUMP8，SUMP2組成。輸出信號限幅后，通過DIV1和輸入電壓有效值的平方求商后和輸入電壓實時值相乘后送入電流環(huán)[4]。我們增加一個PI調(diào)節(jié)器作為電壓環(huán)控制器，增加系統(tǒng)的截至頻率，使得低頻段增益提升，雙積分環(huán)節(jié)使得幅頻對數(shù)相應(yīng)以-40dB/dec衰減，減少系統(tǒng)的穩(wěn)誤差。增加一個零點[15.5rad/s]。延伸了中頻端，系統(tǒng)穿越頻率[WC=39rad/s].相位裕度是68.8deg，系統(tǒng)是穩(wěn)定的。將截至頻率設(shè)置在10Hz以內(nèi)，采用MATLAB計算PI調(diào)節(jié)器的[Kp]=[0.7849];[Ki=20726]。

[uk=Kpzek-Kizj=0ke（j）]

4 電流控制器部分

電流環(huán)輸入信號和電流檢測反饋變量通過LIMT_POWER4限幅后做減法。送電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器。SUM1，P1，SUMP1，UDELAY4，P2，組成電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器。輸出占空比D的增量，通過SUMP6和UDELAY6處理成占空比D，占空比D通過LIM1限幅后和VTR1做比較，輸出D的脈沖和電壓前饋輸出運算后去控制驅(qū)動開關(guān)管[5]。

[Kp]是比例環(huán)節(jié)參數(shù)，[Ki]是積分環(huán)節(jié)參數(shù)，調(diào)節(jié)中頻端截至頻率，采用MATLAB計算PI，將零點選在為[2566krad/s]，因此有[ KiKp=2556];? 設(shè)[Kp=0.7849]，所以[Ki=2014]。

電流環(huán)PI控制離散控制，[Kpz]是比例環(huán)節(jié)參數(shù)，[Kiz]是積分環(huán)節(jié)參數(shù);因此有[Kpz=Kp]=[0.7849];[Kiz=Kif=0.03051]。

電流環(huán)PI控制采用增量式算法：

[?uk=Kpzek-ek-1+Kize（k）]

[?uk=（Kpz+Kiz）ek-Kpze（k-1）]

[?uk=Kp2ek-ek-1+Kp1e（k）]

5 電壓前饋控制器

由于圖騰柱結(jié)構(gòu)PFC一直是出于CCM模式，在高頻狀態(tài)下，近似遵守伏秒平衡關(guān)系，所以圖騰柱可以增加電壓前饋來讓系統(tǒng)有更好的動態(tài)性能[6]。輸入電壓通過歸依法處理成ADC的值，再和P17相乘，P7是DUTY的滿格值，輸出電壓由P21歸一化成ADC值，通過DIV3求商后，再和VDC4的值做減法，VDC4是輸出DUTY的滿格值。

[DFUOUT-UINUOUT=DF*d=D]

[DF]是DUTY的滿刻度值，[UOUT]是輸出電壓，[UIN]是輸入電壓，[d]是占空比，[D]是占空實際輸出。

6 仿真結(jié)果

輸出功率P=4000W;輸入電壓Vin=220V;頻率：f=50Hz;輸出電壓：Vout=385V;功率電感：L=445Uh輸出電容：C=2200uF。

7 結(jié)束語

本文采用PSIM軟件開發(fā)環(huán)境，設(shè)計了一款無橋圖騰柱PFC電路結(jié)構(gòu)，整個系統(tǒng)由功率部分，輔助檢測部分，以及電壓環(huán)，電流環(huán)，電壓前饋環(huán)組成，調(diào)整三環(huán)控制參數(shù)，實現(xiàn)輸出電壓385V，功率4000W輸出整個系統(tǒng)功能，通過仿真驗證系統(tǒng)設(shè)計的可行性，并實現(xiàn)整個系統(tǒng)的輕載啟動，輸出電壓紋波監(jiān)控等性能監(jiān)控，為整機系統(tǒng)搭建提供控制參數(shù)設(shè)計。

參考文獻：

[1] 張衛(wèi)平.開關(guān)變換器的建模與控制[M].北京：中國電力出版社，2006.

[2] 高金源.計算機控制技術(shù)[M].北京：中央廣播電視大學(xué)出版社，2001.

[3]Pressman， Abraham I.Switching Power Supply Design[M].Mcgraw-hill，1997.

[4]云柯.數(shù)字控制的CCM Boost PFC變換器的實現(xiàn)方法[J].電氣工程， 2018，6（2）：199-205.

[5]馬建成，張慶賀，李萍，等.基于無橋Boost PFC的軟開關(guān)電路設(shè)計[J].電源技術(shù)，2021，45（7）：949-952.

[6]王會剛，鄧惠俊.無橋圖騰柱結(jié)構(gòu)PFC小功率輕載狀態(tài)分析[J].電子元器件與信息技術(shù)，2020（4）：139-141.

收稿日期：2021-08-23

作者簡介：王會剛（1974—） ，男，陜西省寶雞市人，高級工程師，碩士，研究方向為集成電路系統(tǒng)集成方案設(shè)計和電源、電池、電機功率電子器件應(yīng)用方案開發(fā)。