VIENNA整流器PFC控制的设计与实现

许继电源有限公司 张 勇 张晓丽 王卓琳 古韶辉 吴 昊

VIENNA整流器PFC控制的设计与实现

许继电源有限公司 张 勇 张晓丽 王卓琳 古韶辉 吴 昊

伴随着电力电子技术不断发展,电力电子装置的应用日益广泛,随之也给电网带来了谐波污染。具有功率因数高,输入电流谐波小,开关损耗低、稳定性强等优势的VIENNA整流器拓扑电路应运而生。本文基于VIENNA整流器拓扑电路可以工作在较高的开关频率下,采用DSP实现PFC控制,合理的设计了主回路参数和PFC环路。最后通过试验表明,在双闭环控制策略下, VIENNA整流器PFC控制系统具有谐波含量低、功率因数高、动态性能良好的特性。

电力电子;谐波污染;VIENNA整流器;PFC控制;DSP

0 引言

VIENNA整流器拓扑电路由Kolar J。W等学者提出,此电路使用得功率器件少,功率开关管承受一半的母线电压,减小了功率器件耐压值,提高产品输出效率[1]。VIENNA整流器拓扑电路可以应用在不间断电源、航空电源、风力发电、光伏发电、电动汽车充换电站、工业变频器等领域。本文在VIENNA整流器拓扑结构的基础上完成了功率主回路和DSP数字芯片控制算法的实现,制作一台6KW试验样机。

1 VIENNA整流器工作原理

图1 VIENNA整流器拓扑原理图

VIENNA整流器拓扑电路原理图如图1所示,其中Va、Vb、Vc是三相交流输入, La、Lb、Lc是升压电感,L1、L2、L3是滤波电感,快速恢复二极管(D1～D6)构成不控整流桥,有源滤波部分由三个双向功率开关管(Qa1～Qa2、Qb1～Qb2、Qc1～Qc2)星形连接实现三电平输出,同时还有两个正负母线电容C1、C2及RL电阻组成[2]。

图2 PFC主拓扑控制结构框图

PFC主拓扑控制结构框图如图2所示:Va、Vb、Vc三相输入经过EMI滤波然后经过升压电感,由DSP芯片的模数转换接口采样到芯片内核中,然后通过电压反馈补偿器,输出反馈电压信号 ,随后通过乘法器将反馈电压信号与输入电压的全波波形相乘,得到整流之后的电流参考值。在PFC电流合成器中还同时完成了电压全波整流值的平方电路与除法功能,以便提高输入电压动态响应速率,适应宽输入电压范围及电压浮动较大的应用场所。在PFC控制环路中采用的是德州仪器公司的32位片内闪存的TMS320F2803DSP芯片,此芯片具备双核CPU,符合本文所需的控制逻辑,一个CPU负责保护及快速采样计算和电压环路,另外一个负责电流环和EPWM功能[3]。

文中所述的VIENNA整流器主要采用双闭环控制策略,即内环电流环外环电压环,采用PI控制算法进行实现。电流环路通过平均值电流控制,通过电流环路对采样的电流进行快速处理,以便其能够更快的跟踪指令电流,以此获得更加理想的电流波形,此种电流环路调节动态响应速度快,调节精度准确,容易获得稳定电流[4][5]。

2 系统主功率回路参数设计

2.1 主回路参数设计

针对图1中的VIENNA整流器拓扑电路中的元器件进行型号选择与参数设计。

2.1.1 BOOST升压电感选择

带满载时,当输入电压最低,这时流过电感电流最大:

输入电流最大时对应占空比:

我们取电感的电流纹波系数值为0.2,选择铁氧体磁芯,磁饱和密度为0.4T(100℃),计算所需电感值:

2.1.2 肖特基二极管的选取

MOSFET关断时,二极管中有电流流过,该电流即是电感电流。考虑设计1.5倍的裕量。此时应有:

根据计算结果,选用GREE公司肖特基快速恢复二极管C4D0812060R070P6,其承受电压Vrrm=1200V。

2.1.3 功率开关管MOSFET选取

当开关管关断时,电感电流流过功率二极管,此时Vds承受最大反向压力。考虑设计1.5倍裕量选取功率开关管。

本产品采用型号为IPW60R070P6 功率开关管,其中:

2.1.4 输出滤波电容选择

在三相PFC环路控制中,滤波电容的容量选择是需要根据后级能量需求及保持时间决定的。最低输出电压为650V,正负母线电压为±325V:

本产品选用四个220uF/450V的电解电容进行串并联。

2.2 PFC环路设计

2.2.1 PFC电流环路设计

在VIENNA整流器拓扑电路中,三相二极管电流对以PFC母线电容为等效基准点的两个并联电容组充电,并联电容组作为负载电源,根据基尔霍夫电流定律,流入PFC电容电流和流出PFC电容电流关系是2/3.PFC电流环路传递函数如图3所示:

图3 PFC电流环路传递函数

2.2.2 PFC电压环路设计

PFC电压环在能够确保随负载变换时输出电压稳定的同时带宽还应足够低,促使当频率大于100Hz时环路增益足够低,减小母线电容在100Hz附近时电压纹波对输入电流的影响。若电压环路控制不当,该调节会引起输入电流的严重畸变,另外过低的电压环路带宽也会导致电压动态调节过慢,所以在尽量满足THD要求的状况下可以适当放宽电压环路带宽[6]。PFC电压环路传递函数如图4所示:

图4 PFC电压环路传递函数

2.2.3 输出电压偏压环路设计与实现

经过整流桥之后,输出直流母线电压有正有负,所以要控制母线电压正负平衡,考虑引入一个比例参数。计算公式如下:

母线电压调节环路是比例环节,即存在静差调节,所以即使环路最终调节稳定的状况下,母线电压依旧会存在一定偏差,如果K值越大,输出也就越大,调节能力也就越强,这样能保持较好的母线电压平衡度,但这样做也会导致输入电流谐波的增加,会影响到THD指标。由上述可以,我们需要在THD与母线电压平衡之间做出平衡[7]。

为了消除母线电压之间静差,使用PI调节来代替P调节,但在积分环节存在退饱和现象,对于不停变化的系统来说,积分的响应速度慢,可能导致超调或者欠调节,从而可能导致正负母线一直处于偏压状态。所以,我们最终采用纯比例调节控制PFC母线电压的平衡。偏压环控制流程图如图5所示:

2.2.4 电流超前相位补偿

PFC控制环路采用内环电流环,外环电压环控制,三相PFC每一相都和单相Boost电路的控制方式相似。单相BoostPFC原理框图如图6所示:

图5 偏压环控制流程图

图6 单相BoostPFC等效原理框图

电流超前相位补偿函数是H(c),其数字化后的函数如下所示:

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

在电流环计算结果Piout上减去前边的前馈量Kc*Vin,其中输入电压Vin和输出电压Usum都是实际值,所以在我们用采样值进行计算时,需要还原采样系数。输入电压Vin用DSP芯片采样减去中点矫正的值,PFC电压Usum用采样滤波后的值。

3 实验结果验证及分析

根据上述的整流器拓扑电路及控制策略设计并制作一台6KW样机。产品参数如表1所示:

表1 产品参数

实验使用测量仪器有横河DLM2024示波器、安捷伦数字表Agilent 34401A、横河WT1800功率分析仪、艾德克斯电子负载。实验验证输入电压与输入电流、输出电流谐波畸变率和不同负载等级下产品效率技术指标。

(1)输入电压与输入电流波形如图6所示:CH1通道电压波形, CH2通道电流波形,CH1-U相输入电压(100V/div)、CH2-U相输入电流(5A/div)。

图7 输入电压与电流波形波形

(2)输出ATHD波形如图8所示:I2-U相输入电流,I3-V相输入电流,I4-W相输入电流输入,注:Element2、Element3、Element4通道有效。

图8 输出电流Ithd波形

(3)在额定输入电压380V下,不同负载等级下产品的效率、功率因数如表2所示:

表2不同负载等级下产品的效率、功率因数。