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以COT控制方法簡(jiǎn)化兩相交錯(cuò)TCM PFC控制 P2

時(shí)間：2021-11-06 來(lái)源：瀏覽：

以COT控制方法簡(jiǎn)化兩相交錯(cuò)TCM PFC控制 P2

原創(chuàng) 楊帥鍋開關(guān)電源仿真與實(shí)用設(shè)計(jì)

開關(guān)電源仿真與實(shí)用設(shè)計(jì)

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前言：前不久思考并提出基于COT控制的TCM PFC能簡(jiǎn)化傳統(tǒng)PFC控制中的所需要的電網(wǎng)電壓電流采樣，電流內(nèi)環(huán)等等，并提出了交錯(cuò)的TCM控制仿真模式可見：《以COT控制方法簡(jiǎn)化兩相交錯(cuò)TCM PFC控制》。其中使用開關(guān)電流的來(lái)做ZCD的判斷是參考了HW的樣機(jī)的思路，用了四個(gè)CT。

今天我就在想，參考ETH最初關(guān)于TCM的論文中的方法，直接使用電阻來(lái)采樣電網(wǎng)輸入電流，這樣只需要監(jiān)測(cè)這個(gè)電阻上的電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)電感電流ZCD和正負(fù)向的電流峰值的采樣，就可以省略了CT，并簡(jiǎn)化了控制電路。麻煩的地方就是如果直接采樣網(wǎng)側(cè)電阻上的電壓，這個(gè)參考點(diǎn)選擇就非常麻煩。要么使用隔離的模擬采樣或者是把模擬控制地直接放在電網(wǎng)側(cè)。下圖是參考文獻(xiàn)1中的ZCD電路，它只比較電阻上電壓的正負(fù)方向抓到電感電流的ZCD點(diǎn)，并通過隔離數(shù)字通信傳遞到DSP控制側(cè)，其電路可見：

參考電路：

這種只監(jiān)測(cè)ZCD的方法也可以實(shí)現(xiàn)TCM的控制，不同于使用CT抓正負(fù)向電流峰值點(diǎn)的方式來(lái)確定是否滿足ZVS的負(fù)向電流。監(jiān)測(cè)ZCD信號(hào)，它不直接判斷電流負(fù)向峰值，而是根據(jù)電網(wǎng)輸入電壓，直流輸出電壓，電感量，開關(guān)的coss電容量通過計(jì)算或者擬合出所達(dá)到ZVS條件所需要的TOFF延長(zhǎng)時(shí)間。通過電感上電壓的電感量和持續(xù)的時(shí)間即可計(jì)算到電感電流的值，所以使用監(jiān)測(cè)ZCD的方法雖然不直接抓取負(fù)向電流峰值，但是只要控制好TOFF的延長(zhǎng)時(shí)間一樣也能實(shí)現(xiàn)ZVS。

但是直接監(jiān)測(cè)ZCD來(lái)做控制的關(guān)鍵就是COSS電容的非線性變化問題，在參考文獻(xiàn)2中，ETH的學(xué)者們提出一些分析和建模的方法。但是在實(shí)際的工程化中，還是可以通過實(shí)際測(cè)試所需的負(fù)向電流然后疊加一點(diǎn)余量進(jìn)去。通俗的說(shuō)就是雖然這個(gè)點(diǎn)能滿足ZVS，但是為了可靠性，工程上就通常會(huì)多注入更多的負(fù)向電流，保證在全范圍內(nèi)都能ZVS開關(guān)，雖然犧牲了部分效率，并非最優(yōu)工作，但是還是可以讓人更加心安吧。

下圖是實(shí)際測(cè)試的一個(gè)基于TCM控制的PFC電流波形，從波形中可以看到有關(guān)于負(fù)向電流峰值的設(shè)置。它在整個(gè)正弦周期內(nèi)僅做了小范圍的變化，而且為了保證ZVS，這個(gè)反向電流的值也不是很小。這種實(shí)現(xiàn)的出發(fā)點(diǎn)可能是更多的為了工程化的考慮，如果實(shí)時(shí)的計(jì)算每個(gè)周期周期的所需的負(fù)向電流，一方面的計(jì)算量大，另一方面也不能完全規(guī)避因?yàn)殡姼辛康钠骷畹挠绊懀餍圆蝗缰苯影逊聪螂娏鞣逯翟龃?，犧牲部分效率保證全范圍ZVS工作。

抓到電感電流ZCD之后的PWM配置：在上文中我們使用了比較器抓到電感的過零點(diǎn)，通過數(shù)字隔離器后將ZCD信號(hào)傳輸?shù)娇刂艱SP，以AC電網(wǎng)的正向方向來(lái)看。當(dāng)ZCD的方波的下降沿被DSP抓到時(shí)，標(biāo)志著電感電流已經(jīng)從續(xù)流管轉(zhuǎn)為從直流電容流入到電網(wǎng)的方向，當(dāng)然在實(shí)際上比較器上會(huì)使用滯回和濾波的措施，這會(huì)導(dǎo)致ZCD信號(hào)滯后與電感電流過零點(diǎn)，這個(gè)滯后時(shí)間也需要考慮進(jìn)去，會(huì)影響負(fù)向峰值電流的設(shè)置?；貋?lái)再說(shuō)DSP通過TZ或CMPSS來(lái)抓到下降沿后，可以配置為DCAEVY1.SYNC事件來(lái)重置PWM計(jì)數(shù)器，這是用來(lái)實(shí)現(xiàn)變頻控制的關(guān)鍵。

重置PWM計(jì)數(shù)器后，并不是直接把高端PWM的TOFF關(guān)閉，而是繼續(xù)維持續(xù)流管開通。那么上面時(shí)候關(guān)閉續(xù)流開關(guān)呢？是通過我們之前通過計(jì)算或擬合的曲線，事先得知的為了實(shí)現(xiàn)ZVS所需的負(fù)向電流而延長(zhǎng)開通的時(shí)間長(zhǎng)度。在下圖的我畫出了TI C2000的DSP中的EPWM配置示意圖，我把PWM計(jì)數(shù)器從ZRO開始到CPA點(diǎn)之間的時(shí)間是給到TOFF所需的延長(zhǎng)時(shí)間，因此我僅需調(diào)整CPA的數(shù)字即可調(diào)整高端開關(guān)的的延長(zhǎng)開通時(shí)間，從而確定所需的負(fù)向電流的峰值，簡(jiǎn)單的說(shuō)CPA越大負(fù)向電流越大。當(dāng)計(jì)數(shù)器高于所設(shè)置的CPA后，續(xù)流開關(guān)關(guān)閉，進(jìn)入為了實(shí)現(xiàn)ZVS所設(shè)置的死區(qū)時(shí)間，然后主開關(guān)繼續(xù)開通，電感電流上升，死區(qū)時(shí)間后高端開關(guān)開通進(jìn)入續(xù)流，再抓ZCD重置PWM計(jì)數(shù)器。

這種控制的關(guān)鍵是僅依靠ZCD就實(shí)現(xiàn)了TCM控制，但是它的問題是不能對(duì)開關(guān)進(jìn)行實(shí)時(shí)的峰值電流限制，過流保護(hù)不能做。而且負(fù)向電流的峰值是依靠計(jì)算得到的，控制器是不能直接采樣來(lái)確認(rèn)是否真的達(dá)到了負(fù)向峰值或者說(shuō)控制器是不能真的知道，達(dá)到了能ZVS工作的關(guān)鍵條件。從某種意義來(lái)說(shuō)，是一種類開環(huán)的控制。為了保證各種工況下的ZVS可靠性，我認(rèn)為僅依靠ZCD的控制方式并不是很可靠性，最好能抓到負(fù)向電流峰值或者直接抓到半橋中點(diǎn)電壓，來(lái)觀測(cè)到系統(tǒng)確認(rèn)能達(dá)到了ZVS開關(guān)的條件。

相位同步：基于主從控制的思路，通過捕獲ZCD的長(zhǎng)度和Tdelay的長(zhǎng)度即可得知開關(guān)周期的長(zhǎng)度，然后在主路PWM計(jì)數(shù)器一半的地方輸出PWM同步到輔路PWM計(jì)數(shù)器，來(lái)實(shí)現(xiàn)兩相TCM的開環(huán)主從控制。。

如果為了TCM控制的魯棒性，正如上面提到的除了增加續(xù)流管的理論計(jì)算的Tdelay外，還需要監(jiān)測(cè)到負(fù)向電流峰值或VDS電壓，確認(rèn)系統(tǒng)達(dá)到了ZVS工作的必須條件。因此我認(rèn)為還需要把電感電流的峰值和谷值電流也應(yīng)該抓到，可以通過高帶寬的模擬隔離器件，來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電感電流峰值和谷值，在配合Tdelay的理論計(jì)算。在兩者條件都具備時(shí)，確保系統(tǒng)的ZVS工作。

基于電感電流峰值和谷值的TMC控制可見仿真模型：

使用兩個(gè)采樣電阻感測(cè)電感電流，然后采樣電阻上的電壓峰值和谷底值來(lái)判斷是否達(dá)到ZVS工作，比之前使用開關(guān)電流的方式簡(jiǎn)化了控制。

運(yùn)行測(cè)試：

正如仿真中所看到的，在使用比較器抓到電感電流的峰值后，是可以實(shí)現(xiàn)控制的。如果把基于ZCD和電感電流的峰值的思路結(jié)合起來(lái)，則可以重新配置為： PWM部分還是基于ZCD的思路，在續(xù)流開關(guān)關(guān)閉時(shí)，引入電感電流峰值的判斷條件。比如，延長(zhǎng)300ns，把CPA設(shè)置30，同時(shí)還把模擬比較器監(jiān)測(cè)到的電感電流負(fù)向峰值也作為關(guān)閉續(xù)流開關(guān)的條件。達(dá)到軟件設(shè)置延長(zhǎng)300ns后，模擬比較器確認(rèn)監(jiān)測(cè)到電感電流負(fù)向峰值達(dá)到-3A，然后關(guān)閉續(xù)流開關(guān)，經(jīng)過死區(qū)時(shí)間后開啟主開關(guān)的控制方法。通過兩者配合，則可以大幅度的提升基于ZCD控制的可靠性和穩(wěn)定性。

小結(jié)：基于ZCD的兩相TCM交錯(cuò)的控制實(shí)現(xiàn)方法。本人能力有限，如有錯(cuò)誤肯定幫忙指正，謝謝觀看，感謝支持。

REF：

1 Interleaved Triangular Current Mode (TCM) resonant transition, single phase PFC rectifier with high efficiency and high power density

C. Marxgut, J. Biela and J.W. Kolar Power Electronic Systems Laboratory, ETH Zurich Physikstrasse 3, 8092 Zurich, Switzerland

Email: marxgut@lem.ee.ethz.ch, www.pes.ee.ethz.ch

2 Ultraflat Interleaved Triangular Current Mode (TCM) Single-Phase PFC Rectifier Christoph Marxgut, Student Member, IEEE, Florian Krismer, Member, IEEE, Dominik Bortis, Student Member, IEEE, and Johann W. Kolar, Fellow, IEEE

關(guān)于本人：

我是楊帥，目前從事逆變器儲(chǔ)能行業(yè)，專注在雙向AC/DC變換器領(lǐng)域，對(duì)雙向DC/DC的研究較多。數(shù)年來(lái)一直從事電力電子仿真技術(shù)研究與應(yīng)用推廣，致力于實(shí)現(xiàn)讓天下沒有難搞的電源而努力。

楊帥鍋

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