单相三电平PFC拓扑构成方案及调制方法

传统单相三电平整流器的开关器件较多;两电平整流器开关器件相对少,但其交流侧输入滤波电感体积大,开关频率相对较高导致功率器件损耗增大,工作效率有所降低。针对上述问题,文中提出级联、电平等效、镜像、去冗余等三电平电路拓扑方案,并以两电平伪图腾柱式功率因数校正电路(pseudo totem-pole power factor correction,PTP-PFC)为例进行上述拓扑方案的推导过程分析,提出一类三电平PTP-PFC电路。首先,对所提新型单相三电平PTP-PFC变换器进行工作原理分析,并提出一种适合此类拓扑的调制方法;其次,对所提拓扑进行功率器件数量、电压应力、损耗等方面分析和对比,总结出各电路特性;最后,设计输出电压400V、功率1kW的3种三电平PTP-PFC实验样机,实验结果证明级联、电平等效、镜像、去冗余等三电平电路拓扑方案的有效性,同时验证所提三电平PTP-PFC电路理论分析的正确性和工程应用的可行性。

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。

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。

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。

PFC无前向通道周期延时重复控制器研究

重复控制具有优异的周期信号跟踪能力和抗扰能力,但在进行数字控制实现时也存在需大量存储空间的缺点。分析了传统重复控制结构前向通道周期延时环节的非必要性,并以单相图腾柱PFC作为应用场景,针对业界常用的PI+重复控制并联结构,提出一种无需前向通道周期延时环节的重复控制器,将数字实现重复控制所需的存储空间缩减至一半。通过仿真与样机实验,验证了所提控制器的有效性。

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。

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。

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。

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。

MOSFET反向恢复特性对临界导通模式图腾柱Boost PFC的影响

针对传统的临界导通模式计算方法没有考虑反向恢复,导致图腾柱Boost PFC实验结果与计算不符的问题,将线性拟合的方法应用到反向恢复的预测中。开展了考虑反向恢复的临界导通模式图腾柱Boost PFC的模态分析,建立了电感电流正向峰值和负向电荷之间的关系,提出了线性拟合实验测量结果从而预测反向恢复的方法;在600 W临界导通模式图腾柱Boost PFC上,对预测反向恢复的方法进行了评价,进行了反向恢复对PFC影响的试验。研究结果表明:该方法能精确计算临界导通模式图腾柱Boost PFC的反向恢复,验证了反向恢复会显著增加电感电流,减小开关频率,并有助于拓展零电压开通范围。

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.

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。

交错并联PFC变换器的预测控制研究

针对交错并联图腾柱PFC拓扑在电感电流连续导电模式CCM(Continue Conduction Mode)下,占空比预测控制中系统存在二次谐波以及特定次谐波的问题,设计对特定频率谐波有良好跟踪特性的PR控制器,补偿占空比预测控制的谐波分量。同时,在电压外环中设计陷波器,对特定次谐波进行滤波和反馈补偿。仿真实验结果证明,基于PR控制器与陷波器的占空比预测控制系统,在保留了系统快速动态性的基础上,输入电流很好的得到滤波,电流的THD(Total Harmonic Distortion)值明显减小,谐波含量降低,提高了输入电能的质量,实现PFC功能。

基于碳化硅的车载集成PFC电路分析

电动汽车利用电网来给电池充电,从而实现长久的续航能力。通常,电动汽车在充电时,电机驱动系统是不工作的。因此,复用电动汽车电机驱动系统来实现电池充电是可行的。车载集成充电系统具有传统车载充电和非车载充电的双重优点。既能减小系统的体积、重量、花销,还能够方便用户的使用。本文提出了一个新型的车载集成图腾柱PFC变换器电路拓扑结构。并通过使用新型宽禁带半导体器件SiC提升了系统性能。本文分析了新型电路拓扑的工作模态,并进行了仿真及实验验证。实验数据表明:该电路能够实现高功率因数校正功能,适合应用于车载集成充电系统。

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。

基于平均电流的电压前馈控制图腾柱PFC的研究

图腾柱PFC变换器具有效率高,损耗低等优点,本文介绍了其工作原理及电流校正控制方式,提出了一种基于平均电流的电压前馈控制策略,并进行了主电路的参数计算。利用本文所提出的控制策略,可以使数字控制系统在极短的时间内对外界电压突变做出反映,提高系统响应时间和稳定性。并通过Simulink搭建了系统仿真模型,仿真表明该控制方法可以在进行输入电流校正的同时提高系统响应能力和稳定性。