基于图腾柱无桥PFC的控制策略研究

图腾柱无桥PFC变换器因其较低的共模干扰以及较高的功率密度等优点被广泛应用于储能电源、汽车充电机以及不间断电源等场景。针对传统双闭环PI控制器存在的抗干扰性较差、响应较慢等问题,提出了一种基于电压环的模糊PI控制策略。然而,在设计模糊PI控制器过程中,其量化因子和比例因子的取值受人为主观因素较大,为进一步提高系统控制效果,提出了一种粒子群优化的模糊PI控制算法,通过粒子群算法迭代寻优的方式寻找量化因子与比例因子的最优值。实验结果显示,设计的粒子群优化的模糊PI控制器相较于模糊PI控制器和双闭环PI控制器表现出更好的控制效果。

基于SiC的图腾柱无桥PFC电路过零点电流尖峰研究

虽然基于SiC的图腾柱无桥功率因素校正(PFC)电路性能优,但仍存在固有的过零点电流尖峰的问题。为抑制过零点电流尖峰,在深入分析图腾柱无桥PFC电路过零点电流尖峰基础上,提出在过零点附近过渡区间插入基于数字控制的新电流尖峰抑制电路。新控制策略包含在过零点前插入实现快切换桥臂开关管软启动的控制,和过零点后采用增强PI控制器的控制。为实现平滑软启动,进一步提出基于实时电流闭环PI反馈的软启动策略。新控制策略电路模态少,控制简单有效,实现容易。

基于GaN器件的高效图腾柱无桥PFC电路设计

GaN器件因其良好的开关性能被广泛应用于图腾柱无桥PFC电路。在电感电流临界连续模式(CRM)下,图腾柱无桥PFC通过合理的控制可以实现开关管全输入电压范围软开关。针对传统电流过零检测(ZCD)电路的控制方式存在控制时序复杂的问题,提出了一种基于电流状态检测电路的软开关控制策略,降低控制的复杂程度;采用交错并联结构降低EMI滤波器的设计压力;并利用解耦磁集成技术将两相电路的功率电感进行磁集成。最终,搭建了一台3000 W基于GaN器件的交错并联图腾柱无桥PFC整流器,通过实验验证了所提电路设计方案的有效性。

图腾柱无桥PFC的同步整流优化控制

由于图腾柱无桥PFC电路的电流采样电路存在相位滞后,普通的单阈值电流比较方案不能正确检测电感电流的过零点,这引起了同步整流管的误关断,从而导致在断续导电模式下电感电流发生反灌。针对上述问题,提出了一种可变正负阈值电流比较策略。首先分析了导致电感电流检测不准确的原因;其次分析了在不同控制模式下电感电流产生反灌的过程,在此基础上给出了电流过零比较阈值的选取方法;通过仿真和实验验证了所提方法的有效性,相比于普通单阈值电流比较策略,通过改变电感电流过零点的比较策略优化了高频开关管的控制效果。结果表明该方法使电路的效率提升了3.7%,功率因数增加了6%,反向电感电流在输入电压20°相位时减小了77.8%。该方法可以有效抑制图腾柱无桥PFC电路运行在断续导电模式时电感电流的反灌,为研究新型的控制方法提供参考。

图腾柱PFC无静差二次型最优PID控制仿真分析

计算方法以及计算机技术的发展促进了现代控制理论的工程化。本文采用无静差二次型最优调节器(LQR)优化PID控制参数选取方法,设计了图腾柱功率因数校正器(PFC)二次型最优PID控制算法。在给出双闭环LQR优化PID控制原理后,建立了状态空间平均模型,采用MATLAB的LQR函数设计了BOOSTDC-DC变换器的双闭环PID控制算法,进而采用相同的双闭环PID控制参数设计了对等电气条件下图腾柱PFC二次型最优PID控制参数,搭建了MATLAB/Simulink仿真电路,分析结果反映了图腾柱PFC二次型最优PID控制参数优化方法是可行的。

图腾柱PFC的电感电流过零畸变校正分析

采用GaN桥臂和SiCMOSFET桥臂的图腾柱功率因数校正器(TP-PFC)具有高效率优点,但是在网压过零附近由于瞬值较低且电压极性转换,引起占比函数突变,如果此时电感取值较大和/或控制器响应较慢,则引起电感电流过零畸变。针对TP-PFC过零附近波形畸变问题,在简述TP-PFC拓扑、数学模型、调制方式以及控制策略基础上,给出了采用PI调节器的双环控制时四种补偿校正方法:变载波幅度法、变控制量法、变控制系数法与变参考信号法,仿真验证了这四种方法能够有效改善电感电流过零附近附近波形质量,明显降低谐波含量和提高功率因数。

图腾柱PFC广义状态空间模型与仿真分析

电力电子变换器的开关过程引起非常严重的非线性问题,可以采用开关模型、采样数据模型、滑动平均模型、小信号模型和行为模型等分析,其中小信号模型包括状态空间平均模型、能量平衡的平均模型和广义状态空间平均模型(GSSA),通过这种数学建模能够表征和简化电力电子变换器的动力学特性,得到近似的线性化系统。文中采用二阶近似逼近的傅里叶级数对图腾柱PFC进行GSSA建模和MATLAB/Simulink仿真分析,并与状态空间平均模型和开关模型进行比较,发现采用二阶近似逼近的傅里叶级数可以建立更加精确地表征电力电子变换器的动力学特性。

图腾柱功率因数校正器GWO-PID设计

灰狼优化(Greywolf optimization,GWO)属于种群智能优化算法,具有简单高效的优点,成功应用于许多领域。本文在阐述GWO搜索机制和设计过程后,将其应用到图腾柱功率因数校正器(TPFC)的电压外环PID参数选择,采用一种改进ITAE指标和能量变化约束进行PID参数寻优,得到电压外环优化的KP、KI和KD。分析结果表明,在启动过程中输出电压响应速度快且无超调,输入电流不超调,在变载过程中输出电压抗负载波动能力强。TPFCGWO-PID参数设置方法不依赖系统特征参数和传递函数的精确性。

临界电流模式图腾柱无桥功率因数校正换相谐振抑制

工作于临界电流模式下的图腾柱无桥功率因数校正(PFC)电路因其无整流桥损耗、电感体积小、易于实现软开关而得到广泛关注。然而,在输入电压过零点处,工频管之间的换相时刻,电感会与工频管的结电容产生谐振,相应地,电感电流和直流母线电压因此会存在高频振荡。电感电流振荡会加剧输入电流畸变程度,而母线电压上的高频尖峰由于振荡频率高,后级DC-DC变换器难以抑制而传递至负载,导致敏感负载无法正常工作。该文分析线性开关在主动栅极电路中抑制振荡的工作原理,基于线性开关的特性提出三电平驱动方式来抑制图腾柱无桥PFC换相谐振,降低输入电流总谐波畸变率(THD)的同时实现对直流母线的高频尖峰的抑制,在2kW满载工况下,将输入电流THD降低1%,母线电压尖峰高频分量峰值由2.83V减小至0.01 V以下。实验结果表明,该文所提出的三电平驱动方式可以有效抑制临界电流模式图腾柱无桥PFC的换相谐振。

Hybrid IGBT在3.3 kW RAC图腾柱无桥PFC的应用

为了解决3 HP家用空调PFC功率级IGBT和整流桥温升高以及散热器尺寸大的痛点,采用图腾柱无桥PFC,以混合IGBT IKZA50N65RH5作为高频桥臂开关管,建立了CCM模式平均电流控制的图腾柱无桥PFC的PLECS仿真模型,并在3.3 kW、IGBT开关频率65 kHz的图腾柱无桥PFC评估板上实际测试获得了最高97.924%的效率,有效降低了IGBT的温升,提高了整机可靠性。

一种可工作于CCM模态的高效图腾柱无桥PFC变换器

提出一种具有零电压开通(zero-voltageswitching,ZVS)和零电流关断(zero-current switching,ZCS)的可工作于CCM腾柱式无桥功率因数校正(power factor correction,PFC)电路拓扑。该拓扑在传统图腾柱无桥PFC的基础上,通过增加辅助谐振支路来实现功率开关管(MOSFET)的ZVS导通,同时辅助谐振支路亦可有效地抑制其体二极管电流的di/dt,实现ZCS关断,极大地缓解了MOSFET体二极管反向恢复问题;工作在电流断续模态下的辅助谐振支路,其开关管均能实现零电流开通,变换器的所有开关管均工作在软开关状态。该拓扑克服传统硅基图腾柱无桥PFC的MOSFET体二极管反向恢复问题,以及只能工作在电流断续导电模式或临界导电模式的限制,拓宽其工作范围,与传统图腾柱式无桥PFC电路相比,有更高的效率和功率密度。基于对所提出变换器的工作原理和稳态特性的分析,设计一台实验样机,实验结果验证了该拓扑方案的可行性和有效性。

图腾柱无桥PFC输入电压检测与仿真研究

针对无桥PFC无"整流桥"存在,导致PFC控制电路所需的全波整流电压检测困难等问题,提出了一种低频整流桥加电压隔离放大器方式的适用于图腾柱无桥PFC的解决方案。电压隔离放大器将整流分压后得到的全波整流电压隔离传输至PFC控制输入端,有效阻断了输入电压检测电路与主电路之间相互干扰,解决了无"整流桥"输入电压检测问题。最后,通过PSIM仿真软件对所提方案进行仿真验证。仿真结果表明,所提方案能够较好地实现图腾柱无桥PFC输入电压检测作用,仿真得到的谐波含量较低,功率因数较高。

基于GaN的图腾柱PFC电流过零点问题的研究

在连续导通模式下,图腾柱无桥拓扑结构功率因数校正器(PFC)的损耗非常大,导致拓扑结构的效率降低,在输入电压过零点处电流容易发生畸变。针对此问题,提出了一种改进的过零点控制方法。将输入电压过零时段划分为两个控制阶段,即高频桥臂主开关管完成软启动,采用双极控制方法有效校正输入电流,使其跟随输入电压。搭建一台1 kW实验样机,并利用DSP开发板进行实验验证。测试结果表明,当开关频率为100 kHz时,功率因数为0.99,PFC模块效率最大可达98.5%,总谐波失真在输出功率大于200 W时小于3%。

考虑电感软饱和特性的图腾柱PFC变换器预测控制方法

磁粉芯电感由于其具有饱和磁密高、气隙分布均匀、高频损耗较低等优点,近年来在功率因数校正场合得到了广泛应用。但由于磁粉芯具有软饱和特性,采用磁粉芯绕制的电感器在高直流偏置下电感偏移量极大,使得在数字实现的PI电流控制器参数设计时难以兼顾控制器性能与系统稳定性。为了解决这个问题,可以采用更加适用于数字实现的PFC平均电流预测控制方法,但是预测控制依赖于模型参数,而磁粉芯电感的使用降低了系统响应速度与控制精度。为此,首先分析电感软饱和特性对传统预测控制的影响,通过分析磁粉芯的软饱和特性及其变化规律,提出一种模型在线修正的平均电流预测控制方法。并将其应用于数字控制3.6kW图腾柱PFC变换器评估其性能,通过实验证明了分析结果及所提出控制方法的有效性。

一种图腾柱PFC的控制方法及Simulink仿真

针对图腾柱PFC主电路的开关器件控制,提出了一种新的控制方法,目的是有效控制图腾柱PFC主电路,实现降低谐波含量和提高功率因数.该控制方法基于PWM跟踪控制的思想,且使用了曲线拟合的方法,实现了在不同的电源电压下稳压输出的功能.为了验证该控制方法的有效性,使用MATLAB的Simulink仿真工具,搭建主电路和控制电路模型进行仿真.对仿真得出的电流波形进行FFT分析,结果显示,使用该控制系统的图腾柱PFC理论上能够得到很好的电气性能.

图腾柱式无桥PFC电路的小信号分析和控制

介绍了使用GaN功率器件的图腾柱式无桥PFC电路,并对其进行了小信号建模与分析,控制方式使用具有高带宽增益和快速瞬态响应能力的电流控制模式,最终通过PSIM仿真证明该电路具有功率因数校正和升压功能,且稳态后电压纹波小于5%,满足系统的性能指标和设计要求。

基于图腾柱无桥PFC的软开关控制变换研究

随着数据中心所需能量的日益增长,对于变换器高性能指标的追求十分迫切。文中设计了基于图腾柱结构实现高效高功率密度的软开关功率因数校正(PFC)电路,采用无桥PFC拓扑结合第三代宽禁带氮化镓器件,通过全数字控制方法实现电路在电流临界和准方波2种状态下切换工作,保证变换器在具备PFC功能的同时实现开关管零电压开关(ZVS)。首先介绍了图腾柱无桥PFC基本电路结构,通过分析电路暂态过程得出实现软开关特性的条件;然后根据全数字双闭环控制方法实现系统PFC功能,结合数学仿真模拟不同状态下图腾柱PFC输出特性;最终搭建了1台输入有效值220 V,输出48 V/400 W的AC/DC变换器。结果表明,系统在实现PFC功能的同时,可在全输入电压范围内保持ZVS特性,验证了电路设计及控制策略的可行性。

双模式图腾柱无桥PFC电路的研究

为减小AC/DC变换器的导通损耗,基于图腾柱无桥Boost电路,提出一种双模式图腾柱无桥功率因数校正(PFC)电路。分析了所提电路的工作原理、工作过程和电路稳态特性,对关键参数进行分析与设计,并通过样机实物研究验证了电路的可行性。最后,设计了1台低压交流输入90~120 Vrms、高压交流输入176~264 Vrms、输出400 V/600 W的双模式图腾柱无桥PFC电路实验样机,验证了电路的可行性以及良好的特性。

图腾柱PFC变换器设计

图腾柱PFC具有体积小、效率高、共模干扰小等优点,适合高功率密度的应用场合。文章研究了基于GaN器件的图腾柱PFC在CCM模式下的工作原理及闭环控制策略,采用电流内环电压外环的双环控制策略,电压外环用于稳定输出电压,其输出信号与采样后的电网电压相乘作为电流内环的基准,以控制输入电流跟随输入电压同相变化。同时提出了一种PI控制参数的设计方法。最后,文章研制了一台输入电压220 VAC、输出电压380 V、输出功率2 kW的原理样机,验证了理论分析的正确性。

双向图腾柱PFC及其锁相优化研究

在双向图腾柱PFC电路中,针对传统双闭环控制动态性能差、跟踪能力不佳等问题,通过引入准PR控制器并对其进行优化,又针对基于二阶广义积分器的锁相环直流抑制能力不足的问题,通过结合全通滤波器对锁相环部分进行了改进,最后通过MATLAB仿真证明了该优化方法有良好的波形和较低的谐波含量,提高了锁相速度和精度,满足系统相关的性能指标和设计要求。