六.控制地的选择
在传统的单相有桥PFC中,一般把PFC电容的负极作为控制AGND,因为该点的电压通过整流桥跟输入的L、N相连。当输入为正半周的时候,AGND为整流桥钳位在N线;当输入负半周的时候,AGND被整流桥钳位在L线;所以母线电容的负极地AGND(相当于PE)是一个工频的变化,由于输入一般都是50Hz的交流电,所以相对还是比较稳定的,可以作为控制电路的控制地。但是相比较Vienna PFC就不一样了,母线电容的中点相对与工频电压中点(PE)是一个开关级的5电平高频变动的电平:±2/3Vo、0、±1/3Vo(这里的Vo代表母线电压的一半,典型值400V,5电平是如何产生的请参考开关状态附件的eon),如果以如此大的高频波动去作为控制地的话,那么噪声和共模干扰就会非常的大,可能会导致采样电压和驱动不准确,严重影响到电路的可靠性。
电容中点的高频变化不能作为控制地,那怎么办?我们是否可以构建一个虚拟的地来作为控制地AGND?我们可以在三相输入之间通过分压电阻相连,采用Y型接法产生虚拟地,继而作为控制地。不过构建了这个控制地后,那么其他所有的采样、驱动都要以差分和隔离的方式相对于这个控制地来工作。采用这种方法,输出电容中点O与控制地AGND分开了,避免了高频剧烈变动带来的干扰。
图18控制地AGND
这样做是不是完美解决了控制地的问题?在实际工作过程中,AGND依然存在剧烈的波动,并不是我们想象的那么平静,AGND跟随着O在剧烈的波动,AGND的峰峰值非常的大。
如何解决?其根本原因是AGND 和O之间存在采样电阻的连接(输出电压的采样),而AGND跟PE之间又存在Y电容连接,在O点的高频信号作用下,AGND自然就被迫分担一定比例的电压。解决方案是在AGND与PE之间增加一个低阻通路来降低阻抗,承担一定的电压来降低AGND-PE的纹波电压。
七.母线均压原理的分析
我们知道,三相Vienna PFC拓扑的母线电压800V是由两个电容C1和C2串联进行分压,电容中点的电位O由电容的充放电决定,两个电容的电压应该保持均衡以保持真实的三电平运行条件。否则输出电压可能包含不期望的谐波,甚至会影响到电路的完全性。三相三电平PFC正负母线的均衡度会影响PFC的性能:
- 输入电流THD;
- 功率开关管和二极管的应力(本身以及后级功率电路);
- 动态时母线电容容易过压;
电容中点的电位偏差与PFC正负母线电容的充放电过程相关,通过附件开关状态可以看出,a组和z组工作状态没有电流流入或流出电容中点,因此两个电容的充放电是一样的,不会产生偏压。只有b、c、d组的开关状态才会影响到PFC母线电容充放电的差异,产生偏压。
根据前面的工作原理分析,POP工作状态只给电容C1进行充电,ONO工作状态只给电容C2进行充电,故可以根据这两个工作状态来控制中点电位,在控制中可以调节ONO和POP两个工作状态的作用时间来进行均压。
图19 C2充电
图20 C1充电
这个时候可以在整个控制环路中添加一个偏压环,用于调节ONO和POP的作用时间,来进行母线电压的均压作用。
具体实施方:是分别对正母线和负母线进行采样,然后得出差值(直流分量),该差值经过偏压环的补偿器调节之后叠加到输入电流参考正弦波,经过精密整流后变换为幅值有差异的双半波作为电流环的给定,以此来改变ONO和POP的作用时间,改善PFC母线均压。
图21偏压给定
如图22所示,compa、compb和compc分别是每相的电流环计算出来的结果,以0~30度扇区为例,当正母线相对于中点的电压低于负母线时,正半波的给定变小,负半波的给定变大,POP工作状态的时间变长,给正母线电容的充电时间变长;ONO工作状态的时间变短,给负母线电容的充电时间变短。当正母线相对于中点的电压高于负母线时,正半波的给定变大,负半波的给定变小,POP的作用时间变长,给正母线电容充电的时间变短,ONO的作用时间变长,给负母线的充电时间变长。图中comp值实线代表上个周期的值,虚线代表当周期的值;阴影部分代表变化的时间;
图22均压控制示意图
以上说明的是主功率回路正常工作时候可以通过调节来控制PFC母线电容的均压,但是当模块起机的时候呢?可以采用辅助电源直接从+400V~-400V之间进行取电,由于电容有差异性,内阻不可能完全相等,也会差生偏压。还有一个是要采用更高等级的MOSFET,成本高,而且现在充电模块的待机损耗也是一个问题,很多客户要求模块的待机损耗不能超过多少。
当然还有另一种辅助电源取电方式,也是现在厂家主流的方式。就是正负母线均挂一个辅助电源,在起机的时候通过充电电阻给母线电容充电,变压器采用绕组竞争的方式,谁的母线电压高,就采用谁供电,这样可以很好的保证模块在起机过程中的均压效果;在模块正常工作起来以后,也是同样的道理。而直接从+800V取电没有这种效果。
图23辅助电源示意图