交错并联技术是通过多个变换器并联实现功率变换,减小了单个变换器的容量要求,提升了电源的功率等级;同时由于并联的各变换器是交错运行,对电源的性能有所改善。
交错并联PFC电路是指由两个或两个以的基本变换器单元并联组成的PFC电路,每个变换器的开关管交错导通,即在开关周期内的开通时刻依次滞后一定时间(180°),从而使每个变换器中流过的电流也呈现交错状态,这种方法的优点是可以减小输入电流纹波和输出电容纹波电流的有效值,并提升电路的功率等级。目前常用的交错并联PFC,采用两个Boost电路组成,如下图所示。与传统的Boost PFC电路相同,交错并联电路也可工作在电感电流连续、电感电流断续以及电感电流临界连续模式下。
交错并联PFC及其波形
交错并联PFC与传统Boost PFC电路拓扑相比,交错并联PFC具有如下几个方面的优点:(1)减小输入电流高频纹波幅值,有利于减小输入EMI滤波器;减小PFC输出电解电容电流有效值,减小了电容损耗可以提高效率,同时提高电解电容的寿命(在不考虑输出保持时间时,可以考虑减小电容个数以减低成本);
(2)可以减小PFC电感体积,理论上两路PFC电感的体积仅为相同功率传统PFC的四分之一,总体积减小一半;而且两分立电感更有利于模块热设计;
(3)通过控制策略,在轻载时只让一个支路PFC工作,可以提高轻载效率。
但同时交错并联PFC也存在如下问题:
- 电流在交错并联的PFC各支路中分布不均,因此需要采取一定的均流措施,这在一定程度上增加了控制系统的复杂度。
针对交错并联PFC,在技术上主要要解决均流问题。首先,我们先分析不均流产生的原因,然后再据此分析相应解决方案。
交错并联PFC不均流产生的因素有两个方面:
(1) 控制上简单错相从而使得占空比失配造成不均流,这是不均流的主要原因;
(2) 器件参数差异导致不均流,如PFC电感感量、MOS导通电阻Rdson、线路阻抗等;由于PFC电感感量对均流的影响是线性的(电感量偏差10%,两路PFC不均流度小于5%),因此可以通过控制PFC电感感量的偏差控制其对均流的影响;同时,MOS导通电阻Rdson、线路阻抗等有自动均流的特性,因此可以不予考虑。
PFC两路并联,第一路正常控制(电感L1),而第二路(电感L2)控制信号由第一路延迟180度(半个开关周期)获得,同时电流采样只取总电流(即输入电流)进行电流环控制。由于第二路控制延迟半个开关周期,因此第二路输出时占空比没变,但对应的输入电压却已经是半个开关周期之后的电压了,这样会造成两路PFC电感的电流不一致,即不均流。
解决不均流的主要方法:
(1)加入均流环
它在原有的双环控制的基础上添加了一个均流环,该方案在输入电压较低的情况下,具有较好的均流控制控制效果,但是它存在如下的问题:通过检测开关管源极电流,所检测值(占空比*平均电流)随着输入电压的升高而减小,因此在高输入电压情况下,均流控制效果不理想(交错并联PFC电路本身的不均流度随着输入电压的增大而增大应该也是影响均流效果的一个很重要原因)。
(2)提高DSP的采样及计算频率
交错并联后,每一个支路的占空比需要单独计算以避免占空失配,因此采样计算频率相对于传统PFC需要乘n(对应交错并联路数)倍增加;比如,原来的DSP的采样和计算频率是100kHz,两路交错并联后,DSP的采样和计算频率需要从100kHz改为200kHz,而两路PFC的工作频率仍然保持为100kHz,这样两路PFC相邻Ts/2的占空比是实时计算的,并不相同;从而从原理上避免占空比失配引起的不均流问题。但是,这中方案对中断资源占用更多,需要评估中断资源是否够用。
(3)两套控制方案
两路PFC采用两套控制电路分开对各自电流进行控制,PWM输出的载波错相180度,这样既达到错相减小纹波的目的,又没有占空比失配的问题,可以消除控制方法带来的不均流,这是这次需要配置的方案。控制方案如下,每一相的duty均是计算电流环实时控制产生的,这样可以避免不均流。
PWM配置如下,PWM1H和PWM2H交错180°,分别去触发ADC采样然后进入ISR执行各自电流环的计算。
PWM MCC配置
在(1)的基础上,配置PG1独立工作模式,输出模式是独立模式。
工作频率设置为100kHz,占空比30%,phase=0;
触发设置,PG1自触发工作,TriggerA比较事件作为PG2的时基触发,TriggerA比较值设置为周期值的一半,即可实现PG2滞后PG1 180°。
PG2的工作模式,输出模式,工作频率和占空比和PG1设置相同,不同的是PG2的SOC来自PG1,如下:
这样PG1 PWM1H和PG2 PWM2H 配置完毕。测试波形如下: