一种级联交错图腾柱无桥PFC装置及其控制策略

一种级联交错图腾柱无桥pfc装置及其控制策略
技术领域
1.本发明属于电力电子技术领域，涉及基于多电平技术的pfc电路，具体涉及一种级联交错图腾柱无桥pfc装置及其控制策略。


背景技术：

2.随着电力电子技术和半导体器件技术的不断发展，对pfc拓扑电路的研究开始往高效率、高功率密度的方向深入。磁性元件是决定pfc电路功率密度的重要因素之一，而传统两电平pfc电路的电感伏秒较大，导致电感占据电路的体积也较大。成为限制传统两电平pfc电路功率密度提升的主要原因。
3.随着多电平技术的发展，传统两电平pfc中电感体积较大的问题得到了有效解决。通过多电平技术，不仅能降低电感上电平跳变的大小，还能提高系统的等效开关频率，从而大幅度降低了电感的体积。目前，基于多电平技术的级联图腾柱无桥pfc电路已经可以将功率密度提升至1000w/in3，同时峰值效率大于99％，但是同时也存在严重的共模问题以及环流问题。这些问题不仅会干扰其他电子设备的正常工作，还会降低电路自身的稳定性。因此对于解决级联图腾柱无桥pfc的共模问题和提升其功率密度的研究是十分有意义的。


技术实现要素：

4.针对现有技术的不足，本发明提出了一种级联交错图腾柱无桥pfc装置及其控制策略，能够在提升三电平级联交错图腾柱无桥pfc功率密度的同时，解决三电平级联交错图腾柱无桥pfc的共模问题。
5.一种级联交错图腾柱无桥pfc装置，包括组成两条支路的6个桥臂、并联在两条支路之间的2个升压电感，和2个滤波电容、2个负载电阻。
6.其中一条支路包括第一工频桥臂、第二高频桥臂、第三高频桥臂，另一条支路包括第四工频桥臂、第五高频桥臂、第六高频桥臂。
7.每个桥臂均包括第一开关管和第二开关管，第一开关管的源极与第二开关管的漏极相连。在一条支路中，工频桥臂的第一开关管的漏极与高频桥臂第一开关管的漏极相连，第二开关管的源极与高频桥臂的第二开关管的源极连接。
8.交流电源的正、负极性端分别与第一工频桥臂、第四工频桥臂的第一开关管的源极连接。第一升压电感并联在第二高频桥臂和第五高频桥臂的第一开关管的源极之间。第二升压电感并联在第三高频桥臂和第四高频桥臂的第一开关管的源极之间。
9.滤波电容的两端分别与支路中的第一开关管漏极、第二开关管源极连接，负载电阻并联在滤波电容两端。
10.作为优选，工频桥臂中的开关管选用si mosfeet管、sic mosfet管或gan管。
11.作为优选，高频桥臂中的开关管选用sic mosfet管或gan管。
12.一种级联交错图腾柱无桥pfc装置的控制策略，具体包括以下步骤：
13.步骤1、采集级联交错图腾柱无桥pfc装置中，流经第一、第二升压电感的电流il1、
il2，两个滤波电容两端的电压值vc1、vc2，和交流电源的瞬时电压值va与相位ph。
14.步骤2、将交流电源的瞬时电压值va与零值比较，产生第一、第四工频桥臂的开关管控制信号v
control
：
[0015][0016]
步骤3、将电压值vc1、vc2相加后，再与第一参考电压v0相减，然后将计算结果通过pi调节器，再与交流电源的瞬时相位ph相乘，得到参考电感电流信号。
[0017]
步骤4、将步骤3得到的参考电感电流信号与电流il2相减，然后将计算结果通过pi调节器，再分别与第二载波、第四载波进行比较，得到第三高频桥臂和第六高频桥臂的开关管控制信号。
[0018]
步骤5、将电压值vc1与第二参考电压v1相减，然后将计算结果通过pi调节器，再与交流电源的瞬时相位ph相乘，得到电压修正信号。
[0019]
步骤6、将步骤3得到的参考电感电流信号与电流il1相减，然后将计算结果通过pi调节器，再分别与步骤5得到的电压修正信号相减、相加，然后将计算结果分别与第以载波、第三载波进行比较，得到第二高频桥臂和第五高频桥臂的开关管控制信号。
[0020]
所述第一～第四载波为三角波，峰值与峰峰值均相等，且第一～第四载波的相位依次相差90
°
。
[0021]
作为优选，所述第一～第四载波为矩形波。
[0022]
作为优选，所述第一、第二载波的峰值与峰峰值相等，第三、第四载波的峰值与峰峰值相等，第一载波的峰值为第三载波峰值的两倍。并且，第一、第三载波的相位相等，第一、第二载波的相位相差180
°
，第二、第四载波的相位相等。
[0023]
本发明具有以下有益效果：
[0024]
1、设置交流电源两端分别与两个工频桥臂的中点连接，同时在上下两条支路的高频桥臂之间通过升压电感连接，这种结构有效抑制了级联图腾柱无桥pfc的共模噪声以及环流，进而减小了共模滤波器的体积。
[0025]
2、级联高频桥臂采用了载波移相或电平移位的控制方式，可以减小输入电流的纹波系数，降低输入电流的thd并提高了电路的pf值；利用载波移相或电平移位控制，能提高系统等效的开关频率，降低电感的伏秒，从而减小电感体积；
[0026]
3、控制策略中包含了均压控制与均流控制，当两路输出滤波电容容值或负载大小有差异时，电路会通过控制环路自动调节至两路输出电压相等的稳态，这种控制策略加强了系统的稳定性。
附图说明
[0027]
图1为一种级联交错图腾柱无桥pfc装置及其控制策略示意图。
[0028]
图2为实施例1中流经升压电感的电流波形；
[0029]
图3为实施例1中滤波电容两端的电压波形；
[0030]
图4为实施例3中流经升压电感的电流波形；
[0031]
图5为实施例3中滤波电容两端的电压波形。
具体实施方式
[0032]
以下结合附图对本发明作进一步的解释说明；
[0033]
如图1所示，一种级联交错图腾柱无桥pfc装置，包括组成两条支路的6个桥臂、2个升压电感、2个滤波电容和2个负载电阻。
[0034]
其中，第一工频桥臂包括开关管s1、s2，第二高频桥臂包括开关管s3、s4，第三高频桥臂包括开关管s5、s6，第四工频桥臂包括开关管s7、s8，第五高频桥臂包括开关管s9、s10，第六高频桥臂包括开关管s11、s12。开关管s1、s3、s5的漏极相连，源极分别与开关管s2、s4、s6的漏极相连；开关管s2、s4、s6的源极相连。开关管s7、s9、s11的漏极相连，源极分别与开关管s8、s10、s12的漏极相连；开关管s8、s10、s12的源极相连。
[0035]
开关管s1、s7的源极分别与交流电源的正、负极性端相连。开关管s3、s9的源极分别与第一升压电感l1的两端相连。开关管s5、s11的源极分别与第二升压电感l2的两端相连.
[0036]
第一滤波电感c1与第一电阻r1的一端与开关管s1、s3、s5的漏极相连，另一端与开关管s2、s4、s6的源极相连。第二滤波电感c2与第二电阻r2的一端与开关管s7、s9、s11的漏极相连，另一端与开关管s8、s10、s12的源极相连。
[0037]
一种级联交错图腾柱无桥pfc装置的控制策略，具体包括以下步骤：
[0038]
步骤1、采集级联交错图腾柱无桥pfc装置中，流经第一、第二升压电感的电流il1、il2，两个滤波电容两端的电压值vc1、vc2，和交流电源的瞬时电压值va与相位ph。
[0039]
步骤2、将交流电源的瞬时电压值va与零值比较，产生第一、第四工频桥臂的开关管控制信号v
control
：
[0040][0041]
步骤3、将电压值vc1、vc2相加后，再与第一参考电压v0相减，然后将计算结果通过pi调节器，再与交流电源的瞬时相位ph相乘，得到参考电感电流信号。
[0042]
步骤4、将步骤3得到的参考电感电流信号与电流il2相减，然后将计算结果通过pi调节器，再分别与第二载波、第四载波进行比较，得到第三高频桥臂和第六高频桥臂的开关管控制信号。
[0043]
步骤5、将电压值vc1与第二参考电压v1相减，然后将计算结果通过pi调节器，再与交流电源的瞬时相位ph相乘，得到电压修正信号。
[0044]
步骤6、将步骤3得到的参考电感电流信号与电流il1相减，然后将计算结果通过pi调节器，再分别与步骤5得到的电压修正信号相减、相加，然后将计算结果分别与第以载波、第三载波进行比较，得到第二高频桥臂和第五高频桥臂的开关管控制信号。
[0045]
实施例1
[0046]
在本实施例中，采用载波移相控制，所述第一～第四载波均为幅值为1的三角波，且相位依次相差90
°
，即第一～第四载波的相位分别为0
°
、90
°
、180
°
、270
°
。
[0047]
在交流电源的正半周时，开关管s1与开关管s8一直导通，开关管s2与开关管s7一直关断。
[0048]
如图2、图3所示，当开关管s3、s10、s6、s12导通，开关管s5、s11、s4、s9关断时，交流电源通过开关管s1、s3、s10、s8和第一升压电感l1，形成回路并对第一升压电感l1进行充
电，流经第一升压电感l1的电流il1以一定斜率上升；而升压电感l2通过s12、s8、交流电源、开关管s1、第一滤波电容c1、开关管s6，形成回路并放电，流经第二升压电感l2的电流il2以一定斜率下降。
[0049]
当开关管s3、s5、s12、s9导通，开关管s10、s4、s6、s11关断时，第一升压电感l1通过开关管s9、第二滤波电容c2、开关管s8、交流电源、开关管s1、开关管s3形成的回路进行放电，流经第一升压电感l1的电流il1以一定斜率下降，交流电源通过开关管s1、s5、第二升压电感l2、开关管s12、s8形成的回路对第二升压电感l2进行充电，流经第二升压电感l2的电流il2以一定斜率上升。
[0050]
当开关管s3、s10、s5、s11导通，开关管s4、s9、s6、s12关断时，交流电源通过开关管s1、s3、s10、s8和第一升压电感l1形成的回路对第一升压电感l1进行充电，流经第一升压电感l1的电流il1以一定斜率上升；第二升压电感l2通过开关管s1、s5、交流电源、开关管s11、第二滤波电容c2、开关管s8形成的回路进行放电，流经第二升压电感l2的电流il2以一定斜率下降。
[0051]
当开关管s4、s10、s5、s12导通，开关管s3、s9、s6、s11关断时，第一升压电感l1通过开关管s10、s8、交流电源、s1、第一滤波电容c1、开关管s4形成的回路进行放电，流经第一升压电感l1的电流il1以一定斜率下降，交流电源通过开关管s5、第二升压电感l2、开关管s12、s8形成的回路对第二升压电感l2充电，第二升压电感l2电流以一定斜率上升。
[0052]
实施例2
[0053]
在本实施例中，采用载波移相控制，所述第一～第四载波均为幅值为1的矩形波，第一～第四载波的相位分别为0
°
、90
°
、180
°
、270
°
。
[0054]
实施例3
[0055]
在本实施例中，采用电平移位控制，所述第一、第二载波为幅值为2的三角波，第三、第四载波为幅值为1的三角波，第一、第三载波的相位为0
°
，第二、第四载波的相位为180
°
。
[0056]
流经升压电感的电流波形与滤波电容两端的电压波形如图4、图5所示。
[0057]
实施例4
[0058]
在本实施例中，采用电平移位控制，所述第一、第二载波为幅值为2的矩形波，第三、第四载波为幅值为1的矩形波，第一、第三载波的相位为0
°
，第二、第四载波的相位为180
°
。
[0059]
以上实施例中的两种控制方式都可以实现减小电感伏秒、减小输入电流纹波以及抑制共模噪声的技术效果；并且当两路输出滤波电容容值不等或负载大小不一致时，电路依旧能达到输出电压相等、电流相等的控制目标。