无桥图腾柱PFC在AC过零点容易电流振荡解决方案
开关电源仿真与实用设计 2022-09-26

前言:

  晚上回家跟朋友讨论无桥TCM控制避免进入CCM的办法,虽然还没找到具有可行性的解决办法。但是我根据这个问题,想起了曾经发生过的一件事情:一个单相CCM无桥TP PFC在AC电压过零点电流振荡的问题,技术背景是:PWM使用单极性调制,只控制两个高频管,另外两个低频做工频开关。

  这个问题应该算是CCM无桥TP PFC的常见问题,典型的波形可见下图所示。下图中紫色是电感电流,可见在过零点附近遇到了很明显的电流振荡问题。

(电感电流在AC过零点附近震荡)

  针对这个问题,我查阅过一些资料,TI的有一个AN里面有介绍过这个问题的起因和解决办法,可见参考文献1。拓扑结构:

 (拓扑结构)

  简单的翻译一下文档里面介绍的关于这个电流振荡的起因:

  CCM图腾柱PFC的一个挑战是输入电流在交流过零时有很大的尖峰。这个问题是图腾柱PFC拓扑固有的,而且起因比较复杂。能够导致这些尖峰的原因包括开关的开启顺序、两个工频管的体二极管的反向恢复速度较慢、COSS、PWM信号的突然互换,都导致了这些电流冲击。针对低频体二极管的问题可以通过下面这个PWM逻辑来减轻影响,在AC过零点前面提前关闭低频管,然后对高频管进行软启动展开:

(在过零点附近增加启动)

下面是这种策略的具体实施,过零点附近停止发波。

(具体实施)

  实现效果可见下图,看起来还可以。但是如果增加了这个策略后还是无法解决过零点附近的电流振荡那该怎么办呢?

(增加软启动后的实际测试效果)

  实际上在CCM的PFC还有一个更重要的问题容易被人忽略,那就是电感电流超前于电网电压相位,这个问题我在之前的一个视频中提到过(视频可见:《降低单相PFC的ithd的几个点子》),它是因为PFC控制环路中输入导纳在低频处是存在90°超前,正是这个原因导致了CCM的电感电流超前。更多具体的理论推导,可见参考文献2。

(Y1 输入导纳的BODE图)

  电感电流超前电网电压的波形:

(电感电流超前)

  当电感电流超前且在AC过零换向处,假设是从L>N穿越这个过程。低端高频开关Q2的电流先是从D>S,然后由于电感电流先过零后改变方向,使得Q2的电流会有一段时间是从S>D流。然后高端Q1开关续流时,Q2的体二极管需要承受400V的反压而关闭,由于之前是从S>D走的电流,所以体二极管会产生非常高的反向电流应力,再加上此时电网电压非常低接近短路状态,所以很容易产生较大的电流振荡。

(开关电流在电感电流超前效应产生了电流反向流动)

  所以针对这个问题,我提出的办法就是解决掉电感电流超前,继而解决开关在过零点振荡的问题。要让补偿掉电感电流的超前与电网电压同步,可以直接滞后电流内环的给定正弦波相位即可,所以我把锁相环的输出直接滞后了一点,用于补偿电感电流超前。通常锁相环是sinf(theta + xxxx),xxx就是你的补偿值,这样即可把电感内环给定值滞后,让电感电流和电网电压同步。

可见下图所示,电感电流和电网电压完全同步,开关的电流波形也没出现从S>D的流动工况:


(补偿电感电流超前后的开关电流,没有S>D流动的工况)

  小结:

  根据电感电流超前的表现,提出了无桥图腾柱PFC在AC过零点容易电流振荡的一种原因,并提出补偿电感电流超前来解决这个问题的方法。目前只是一个想法,在还未实测的情况下我不敢说完全有用。感谢观看,如果有错误恳请帮忙指正。


参考文献:

1,Control challenges in a totem-pole PFC

By Bosheng Sun Application Engineer, High PowerController Solutions


2,KonstantinP. Louganski, PhD diss., GeneralizedAverage-Current-Mode Control of Single-Phase AC-DC Boost Converters with PowerFactor Correction, 2007




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