交错并联CCM Boost PFC变换器工作原理
摘要：
针对功率因数校正变换器电感电流连续导电模式(continue conduction mode, ccm)时，两相交错并联boost pfc变换器各支路不均流造成某一支路中开关管电流应力加大的问题，采用占空比补偿电流控制策略。该控制策略在平均电流控制的基础上，在并联支路内部加入补偿环，根据每相电流与1/2给定输入电流的偏差程度对占空比进行补偿，实现了并联两支路的均流，最终达到减小开关管电流应力的目的。最后，建立了仿真电路，通过仿真分析可知，未采用该控制策略时，两支路电流分别为5 a与2.2 a，其中5 a支路mos管的电流峰值为9.2 a；在采用占空比补偿电流控制策略后，两支路电流均为3.6 a，两个mos管的电流峰值均为6.8 a，均流效果明显，开关管的电流应力减小，验证了占空比补偿电流控制交错并联ccm boost pfc变换器的可行性。
❖
0 引言
我国电动汽车产业快速发展，大量电动汽车充电行为为电网带来大量谐波[1-2]。文献[3]中采用boost电路作为整流电路后级，实现了功率因数校正(pfc)，减小了电网谐波。随着pfc技术的发展，不断有新型pfc拓扑结构提出，如倍压pfc、无桥pfc、交错并联boost pfc等[4-5]。其中交错并联boost pfc系统不仅具有并联系统的所有优点，还能减少输入电流纹波，降低开关管的电流应力。在大功率场所通常采用工作于电感电流连续导电模式(continue conduction mode，ccm)[6]的交错并联boost pfc变换器。
基于现有pfc变换器的拓扑结构，已经提出以下控制方法：峰值电流控制、平均电流控制、单周期控制等[7-8]。其中平均电流控制相比其他控制方法具有更加良好的动静态特性。
其次，并联系统中还应考虑均流问题，若并联系统两支路电流不均衡，那么某一支路开关管所承受的电流应力势必加大，会增大开关管损坏机率[9]。
本文针对平均电流控制交错并联ccm boost pfc变换器中存在的两支路不均流造成开关管电流应力加大的问题，对不均流原理进行分析，并采用占空比补偿电流控制策略，实现了并联两相boost电路的均流控制，解决了上述问题。
1 交错并联ccm boost pfc变换器工作原理
交错并联ccm boost pfc变换器原理图如图1(a)所示，稳态时序波形如图1(b)所示。
如图1(b)所示，交错并联ccm boost pfc变换器为两个相同boost pfc变换器并联而成，单个开关管s1、s2的驱动信号相位相差180°，如图1(b)所示，开关管s2的驱动信号相比开关管s1滞后180°，电感l1与电感l2支路的电流波形相同，相位相差180°，所以两支路的电流交错并联后将会消除掉一部分电流纹波，从而总电流i的纹波得到减小，频率变为之前的2倍。
2 平均电流控制交错并联ccm boost pfc变换器的不均流问题
2.1 单个ccm boost pfc电路电流跟踪分析
单个ccm boost pfc电路如图2所示。
图2所示电路中，电感l工作于连续模式，占空比表达式为[10]：
根据平均电流控制策略的原理[11]，结合式(2)、式(8)、式(9)分析可知：每个开关周期，占空比不同，t(n)+d(n)t时刻与t(n+1)时刻的电感电流也就不同（随输入电压vin(t(n))及占空比d(n)变化），所以电感电流具有良好的电流跟踪特性。
2.2 交错并联ccm boost pfc电路不均流原理
如图1的交错并联boost pfc电路，电感l1与电感l2大小相等为l。
对于电感l1由式(8)、式(9)可得：
对式(14)、式(15)分析可得：在t(n)+d(n)t时刻与t(n+1)时刻的电感l1与电感l2之间均会存在电流差，如图3所示。
实际电感电流il1与il2跟踪给定输入电流ilref的波形如图4所示，不均流现象明显。
3占空比补偿控制环
由上文分析，交错控制中开关管的导通延迟导致il2电流不能很好地跟踪给定电流，发生不均流。
为保证电感电流il2能很好地跟踪给定电流，在如图1(a)所示的传统平均电流控制的基础上进行改进，将占空比补偿环加入传统电流内环补偿均流占空比，使电感电流il1与电感电流il2均能很好地跟踪给定电流，达到均流目的。引入占空比补偿控制环后的控制图如图5所示。
3.1 占空比补偿控制环的原理
为使交错并联ccm boost pfc变换器并联两模块实现均流，考虑只有两模块并联，所以设计占空比补偿控制环时，只需在其中一条支路中加入占空比补偿控制环，当这一支路电感电流通过均流占空比补偿后达到总电流的1/2时，另一支路的电流必定也为总电流的1/2，达到了两支路均流的目的。
由前文对不均流原理的分析，交错控制中开关管的导通延迟产生很小的输入电压增量δvin，导致电感电流il2不能很好地跟踪给定电流，两支路电流形成电流偏差。所以，在电流偏差源支路（电感l2支路）的电流环中加入占空比补偿环节，将均流占空比补偿到平均电流控制的电流内环输出的控制占空比中，使电感电流il2为总电流的1/2，那么电感电流il1也为总电流的1/2，实现了并联两支路的均流。
3.2 补偿环节算法的设计
根据电感l2的支路电流给定值1/2(ilref)与实际值il2的差δil2占该支路电流给定值1/2(ilref)的比例得到电感l2支路的电流偏差程度：
交错并联ccm boost pfc变换器的直流输入电压vin为整流桥输出电压的正弦半波，其变化范围是零到峰值电压vpk之间，vin在零附近时，控制占空比最大，vin为峰值时，控制占空比最小。所以在占空比补偿控制环中，能够用于补偿的均流占空比最大值为控制占空比的最大值：
4 仿真验证
基于matlab/simulink仿真软件对采用占空比补偿电流控制策略的交错并联ccm boost pfc变换器进行仿真研究。主电路参数为：电网电压220 v，50 hz；输出电压vo=400 v；电感l1=l2=800 μh；电容c=400 μf; 开关频率为50 khz；能够用于补偿的均流占空比最大值为控制占空比的最大值：0.78。
两种控制策略下电感电流及总输入电流波形、开关管电流波形分别如图6、图7所示。
仿真结果表明，采用占空比补偿电流控制相较于传统的平均电流控制均流效果明显，并且开关管电流应力明显降低。
5 结论
由于交错控制引起的两并联boost支路不均流现象，本文在传统平均电流控制策略的基础上进行了改进，通过分析平均电流控制交错并联ccm boost pfc变换器，采用了占空比补偿电流控制策略，加入占空比补偿控制环，让均流占空比对平均电流控制的电流内环输出占空比进行补偿，并对补偿的原理、算法进行了分析，最后进行了仿真验证。本文分析表明，占空比补偿电流控制的交错并联ccm boost pfc变换器不仅具有传统平均电流控制策略的所有优点，还实现了两并联boost支路的均流，避免了因不均流引起的某一支路开关管电流应力过大的问题。
几种简单的脉宽可调电路图解
智能镜子将为我们打造一个语音信息的交互中心
全面解读Linux 中断子系统的驱动
索尼宣布将投入90亿美元，大部分将用于图像传感器领域
中国移动加快打造5G精品网络,拓展信息消费新业态新模式
交错并联CCM Boost PFC变换器工作原理
拆解实录:康舒ipower新品电源评测
关于PM2.5传感器在扬尘监测仪器中的应用
中国首个芯片大学吸引全国目光
AR与VR：下一个通用计算平台竞赛的解读
2020年国内5G基站建设情况
影响高频电子连接器接触性能的五个因素
水培控制器的制作
华为与印度IndusOS建立合作关系，可实现访问超过40万个应用程序
矽映电子推出首款利用HDCP2.2技术传输的4K超高清MHL3.0接收器IC
如何正确选择和安装气压传感器
关于终端设备对外接口的性能与监控性能的介绍
Nadia在人形机器人中如何独树一帜
电动汽车的价格为什么一直居高不下
嵌入式GPIO接口基础操作
针对功率因数校正变换器电感电流连续导电模式(continue conduction mode, ccm)时，两相交错并联boost pfc变换器各支路不均流造成某一支路中开关管电流应力加大的问题，采用占空比补偿电流控制策略。该控制策略在平均电流控制的基础上，在并联支路内部加入补偿环，根据每相电流与1/2给定输入电流的偏差程度对占空比进行补偿，实现了并联两支路的均流，最终达到减小开关管电流应力的目的。最后，建立了仿真电路，通过仿真分析可知，未采用该控制策略时，两支路电流分别为5 a与2.2 a，其中5 a支路mos管的电流峰值为9.2 a；在采用占空比补偿电流控制策略后，两支路电流均为3.6 a，两个mos管的电流峰值均为6.8 a，均流效果明显，开关管的电流应力减小，验证了占空比补偿电流控制交错并联ccm boost pfc变换器的可行性。
❖
0 引言
我国电动汽车产业快速发展，大量电动汽车充电行为为电网带来大量谐波[1-2]。文献[3]中采用boost电路作为整流电路后级，实现了功率因数校正(pfc)，减小了电网谐波。随着pfc技术的发展，不断有新型pfc拓扑结构提出，如倍压pfc、无桥pfc、交错并联boost pfc等[4-5]。其中交错并联boost pfc系统不仅具有并联系统的所有优点，还能减少输入电流纹波，降低开关管的电流应力。在大功率场所通常采用工作于电感电流连续导电模式(continue conduction mode，ccm)[6]的交错并联boost pfc变换器。
基于现有pfc变换器的拓扑结构，已经提出以下控制方法：峰值电流控制、平均电流控制、单周期控制等[7-8]。其中平均电流控制相比其他控制方法具有更加良好的动静态特性。
其次，并联系统中还应考虑均流问题，若并联系统两支路电流不均衡，那么某一支路开关管所承受的电流应力势必加大，会增大开关管损坏机率[9]。
本文针对平均电流控制交错并联ccm boost pfc变换器中存在的两支路不均流造成开关管电流应力加大的问题，对不均流原理进行分析，并采用占空比补偿电流控制策略，实现了并联两相boost电路的均流控制，解决了上述问题。
1 交错并联ccm boost pfc变换器工作原理
交错并联ccm boost pfc变换器原理图如图1(a)所示，稳态时序波形如图1(b)所示。
如图1(b)所示，交错并联ccm boost pfc变换器为两个相同boost pfc变换器并联而成，单个开关管s1、s2的驱动信号相位相差180°，如图1(b)所示，开关管s2的驱动信号相比开关管s1滞后180°，电感l1与电感l2支路的电流波形相同，相位相差180°，所以两支路的电流交错并联后将会消除掉一部分电流纹波，从而总电流i的纹波得到减小，频率变为之前的2倍。
2 平均电流控制交错并联ccm boost pfc变换器的不均流问题
2.1 单个ccm boost pfc电路电流跟踪分析
单个ccm boost pfc电路如图2所示。
图2所示电路中，电感l工作于连续模式，占空比表达式为[10]：
根据平均电流控制策略的原理[11]，结合式(2)、式(8)、式(9)分析可知：每个开关周期，占空比不同，t(n)+d(n)t时刻与t(n+1)时刻的电感电流也就不同（随输入电压vin(t(n))及占空比d(n)变化），所以电感电流具有良好的电流跟踪特性。
2.2 交错并联ccm boost pfc电路不均流原理
如图1的交错并联boost pfc电路，电感l1与电感l2大小相等为l。
对于电感l1由式(8)、式(9)可得：
对式(14)、式(15)分析可得：在t(n)+d(n)t时刻与t(n+1)时刻的电感l1与电感l2之间均会存在电流差，如图3所示。
实际电感电流il1与il2跟踪给定输入电流ilref的波形如图4所示，不均流现象明显。
3占空比补偿控制环
由上文分析，交错控制中开关管的导通延迟导致il2电流不能很好地跟踪给定电流，发生不均流。
为保证电感电流il2能很好地跟踪给定电流，在如图1(a)所示的传统平均电流控制的基础上进行改进，将占空比补偿环加入传统电流内环补偿均流占空比，使电感电流il1与电感电流il2均能很好地跟踪给定电流，达到均流目的。引入占空比补偿控制环后的控制图如图5所示。
3.1 占空比补偿控制环的原理
为使交错并联ccm boost pfc变换器并联两模块实现均流，考虑只有两模块并联，所以设计占空比补偿控制环时，只需在其中一条支路中加入占空比补偿控制环，当这一支路电感电流通过均流占空比补偿后达到总电流的1/2时，另一支路的电流必定也为总电流的1/2，达到了两支路均流的目的。
由前文对不均流原理的分析，交错控制中开关管的导通延迟产生很小的输入电压增量δvin，导致电感电流il2不能很好地跟踪给定电流，两支路电流形成电流偏差。所以，在电流偏差源支路（电感l2支路）的电流环中加入占空比补偿环节，将均流占空比补偿到平均电流控制的电流内环输出的控制占空比中，使电感电流il2为总电流的1/2，那么电感电流il1也为总电流的1/2，实现了并联两支路的均流。
3.2 补偿环节算法的设计
根据电感l2的支路电流给定值1/2(ilref)与实际值il2的差δil2占该支路电流给定值1/2(ilref)的比例得到电感l2支路的电流偏差程度：
交错并联ccm boost pfc变换器的直流输入电压vin为整流桥输出电压的正弦半波，其变化范围是零到峰值电压vpk之间，vin在零附近时，控制占空比最大，vin为峰值时，控制占空比最小。所以在占空比补偿控制环中，能够用于补偿的均流占空比最大值为控制占空比的最大值：
4 仿真验证
基于matlab/simulink仿真软件对采用占空比补偿电流控制策略的交错并联ccm boost pfc变换器进行仿真研究。主电路参数为：电网电压220 v，50 hz；输出电压vo=400 v；电感l1=l2=800 μh；电容c=400 μf; 开关频率为50 khz；能够用于补偿的均流占空比最大值为控制占空比的最大值：0.78。
两种控制策略下电感电流及总输入电流波形、开关管电流波形分别如图6、图7所示。
仿真结果表明，采用占空比补偿电流控制相较于传统的平均电流控制均流效果明显，并且开关管电流应力明显降低。
5 结论
由于交错控制引起的两并联boost支路不均流现象，本文在传统平均电流控制策略的基础上进行了改进，通过分析平均电流控制交错并联ccm boost pfc变换器，采用了占空比补偿电流控制策略，加入占空比补偿控制环，让均流占空比对平均电流控制的电流内环输出占空比进行补偿，并对补偿的原理、算法进行了分析，最后进行了仿真验证。本文分析表明，占空比补偿电流控制的交错并联ccm boost pfc变换器不仅具有传统平均电流控制策略的所有优点，还实现了两并联boost支路的均流，避免了因不均流引起的某一支路开关管电流应力过大的问题。
几种简单的脉宽可调电路图解
智能镜子将为我们打造一个语音信息的交互中心
全面解读Linux 中断子系统的驱动
索尼宣布将投入90亿美元，大部分将用于图像传感器领域
中国移动加快打造5G精品网络,拓展信息消费新业态新模式
交错并联CCM Boost PFC变换器工作原理
拆解实录:康舒ipower新品电源评测
关于PM2.5传感器在扬尘监测仪器中的应用
中国首个芯片大学吸引全国目光
AR与VR：下一个通用计算平台竞赛的解读
2020年国内5G基站建设情况
影响高频电子连接器接触性能的五个因素
水培控制器的制作
华为与印度IndusOS建立合作关系，可实现访问超过40万个应用程序
矽映电子推出首款利用HDCP2.2技术传输的4K超高清MHL3.0接收器IC
如何正确选择和安装气压传感器
关于终端设备对外接口的性能与监控性能的介绍
Nadia在人形机器人中如何独树一帜
电动汽车的价格为什么一直居高不下
嵌入式GPIO接口基础操作