BCM交錯PFC的時(shí)序邏輯設計的藝術(shù)

前言：在前不久我在TCM交錯PFC的變頻錯相上提出使用LPF得到周期長(cháng)度平均值的方法再配合主路ZCD來(lái)實(shí)現，在仿真上取得了一些效果《 以COT控制方法簡(jiǎn)化兩相交錯TCM PFC控制 》。但是也引發(fā)了我的另外一個(gè)思考：主從模式下，如果以主路ZCD來(lái)刷新周期，輔路的開(kāi)通是從主路delay 180°的地方開(kāi)啟。這樣如果因為電感量的差異或者說(shuō)是負載變化時(shí)，主路ON TIME的擾動(dòng)導致主路可以用ZCD來(lái)刷新周期確保是ZVS工作。 但是由于輔路沒(méi)有直接抓到ZCD就開(kāi)啟新的PWM周期，所有難免會(huì )進(jìn)入到CCM模式，那么如何解決主從控制可能存在的CCM問(wèn)題呢？ 

本文絕大部分內容是搬運論文：A Cross-Coupled Master–Slave Interleaving Method for Boundary Conduction Mode (BCM) PFC Converters Hangseok Choi, Senior Member, IEEE, and Laszlo Balogh, Member, IEEE IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, VOL. 27, NO. 10, OCTOBER 2012， 還包含一些個(gè)人主觀(guān)內容，如果覺(jué)得表達的不清楚或者是存在錯誤，可以自行查閱論文，本人能力有限，謝謝。

  首先文章中提出的第一種方法是開(kāi)環(huán)的主從控制，控制電流源對電容充電產(chǎn)生三角波，然后用峰值監測和保持電路來(lái)取得三角波的峰值，然后把峰值除以2得到峰值的一半，然而再與主定時(shí)電容器的三角波進(jìn)行比較，從而得到主路delay 180°的地方發(fā)出去置位輔路。在開(kāi)環(huán)的主從控制中僅有主路的ZCD參與了周期刷新，輔路只是靠著(zhù)周期一半的地方發(fā)出PWM，沒(méi)有ZCD的參與進(jìn)去，這樣做的目的是為了最簡(jiǎn)單的實(shí)現在BCM工作模式中變頻時(shí)保證180°的錯相輸出，但是可能會(huì )導致輔路進(jìn)入CCM。

  我用仿真軟件簡(jiǎn)單的模擬了這個(gè)idea，在峰值監測和保持中我用的二極管整流對電容充電的方式來(lái)抓到主路定時(shí)電容上的三角波的峰值，然后在乘以0.5進(jìn)去，得到主路定時(shí)電容三角波的一半，在與主路進(jìn)行比較得到主路delay 180°的時(shí)間信號，去置位輔路的PWM，可見(jiàn)：

輸出：

  為了分析開(kāi)環(huán)主從控制的穩定性文章中引入了兩個(gè)擾動(dòng)：一個(gè)主路TON的變化另外一個(gè)是輔助GS的開(kāi)通點(diǎn)擾動(dòng)，兩種情況都導致了開(kāi)環(huán)的主從開(kāi)始的時(shí)序會(huì )亂掉，會(huì )一直維持錯誤狀態(tài)，當擾動(dòng)結束后不能修正這種錯誤，導致輔路會(huì )進(jìn)入CCM。 雖然說(shuō)交錯的BCM可以使用解耦磁集成的方式來(lái)做PFC電感，通過(guò)相同的磁性材料和繞線(xiàn)結構來(lái)保證主從的電感量處于非常接近的水平，但是這樣并不能排除驅動(dòng)、負載變化、輸入變化時(shí)產(chǎn)生的擾動(dòng)，以至于開(kāi)環(huán)控制的主從并不能較好的應用在實(shí)際的交錯BCM系統上。

  我們再來(lái)考慮使用鎖相環(huán)的閉環(huán)控制方法，將主從兩路的的ZCD的之間差控制在180°的時(shí)間，論文中提出使用RS觸發(fā)器來(lái)抓到兩者之間的時(shí)間差的方波，然后用濾波器來(lái)將方波低通成直流量，然后通過(guò)閉環(huán)控制的方法去調整輔路的定時(shí)器的電壓斜坡的上升速度，在閉環(huán)調節的作用下逐漸達到相位保持在180°，這種方法我之前在這篇文章中有過(guò)介紹，是ETH的KOLAR團隊進(jìn)行交錯TCM的PFC做的實(shí)現方法，可見(jiàn)：《 妙用數字邏輯巧解多相TCM控制中的變頻錯相同步問(wèn)題 by ETH Kolar團隊 》。這個(gè)問(wèn)題就是閉環(huán)調節需要時(shí)間，在負載動(dòng)態(tài)，開(kāi)關(guān)周期長(cháng)度發(fā)生變化時(shí)候，重新回到穩態(tài)工作點(diǎn)所需要的時(shí)間較長(cháng)，對于PFC這種持續在變頻的應用確實(shí)不是很好的方法。

  大多數BCM的PFC控制器內部有設置最長(cháng)周期時(shí)間，它是通過(guò)復位定時(shí)器來(lái)觸發(fā)PWM信號，如當輸出電壓非常接近設置電壓導致電感兩端沒(méi)有足夠的電壓去為電感電流放電，在當前的周期結束后，ZCD沒(méi)有抓到則系統會(huì )進(jìn)到CCM運行，并且系統的工作頻率由內部的復位定時(shí)器的時(shí)間長(cháng)度來(lái)決定。這種靠鎖相環(huán)去調節輔路的導通時(shí)間的方法并不能讓系統脫離出CCM模式。另外一個(gè)問(wèn)題是當輔路進(jìn)入CCM，并且主從相位差小于180°，則閉環(huán)會(huì )讓輔路的導通時(shí)間增大來(lái)增大相差，由于加大了導通時(shí)間這樣只會(huì )繼續增加了電感電流，并不能使得系統脫離CCM模式，反而會(huì )繼續惡化系統的工況導致發(fā)生炸雞的情況。

  論文提出了一種新的實(shí)現方法，利用的是主從兩路相互影響的方法來(lái)解決BCM因為擾動(dòng)進(jìn)入CCM不能自己退出的問(wèn)題。下圖是簡(jiǎn)化的實(shí)現方法，對于每個(gè)BCM的開(kāi)關(guān)周期都進(jìn)行測量，并把它定為主從兩路的GS開(kāi)啟到ZCD發(fā)生所持續的時(shí)間，并使用積分器上的電壓斜坡高度來(lái)表示開(kāi)關(guān)周期的長(cháng)度。PS信號是兩個(gè)相位移動(dòng)的標志，命名為PS1和PS2，它把主從兩路的開(kāi)關(guān)周期的長(cháng)度的一半的時(shí)間點(diǎn)的標志信號送給其它的通道。比如把主路上個(gè)周期的一半的時(shí)間長(cháng)度作為PS2給到輔路的PWM觸發(fā)器的置位輸入，并在邏輯上與 輔 路的ZCD2進(jìn)行AND操作。另外主路也是接受到輔路的上個(gè)開(kāi)關(guān)周期一半的時(shí)間信號PS1與自己的ZCD1。

  這里最關(guān)鍵是主從兩路的PWM觸發(fā)器的置位輸入是需要PS和ZCD一起置高才能開(kāi)啟新的PWM輸出，這里是整個(gè)BCM變頻交錯實(shí)現的關(guān)鍵。另外一個(gè)更重要的是這個(gè)控制邏輯中存在的輸入信號先后邏輯，比如是PS1先發(fā)生ZCD1后發(fā)生則PWM由ZCD1觸發(fā)，對于的PFC通道工作在BCM模式。如果ZCD1先發(fā)生，PS1晚一點(diǎn)產(chǎn)生，在這個(gè)時(shí)間內PWM觸發(fā)器的置位為低，主路PWM會(huì )繼續處于關(guān)閉。并因為電感已經(jīng)ZCD，此時(shí)是電感與Coss進(jìn)諧振的DCM狀。當PS1和ZCD1都到位后，再開(kāi)啟主路PWM。不管是主路還是輔路都需要參考相對于的上個(gè)周期的長(cháng)度來(lái)進(jìn)行PWM開(kāi)關(guān)，當ZCD1先發(fā)生而PS1還沒(méi)到位，說(shuō)明輔路在上個(gè)開(kāi)關(guān)周期的長(cháng)度增長(cháng)了，為了避免主路因為開(kāi)關(guān)長(cháng)度比輔路短一點(diǎn)可能會(huì )進(jìn)入CCM問(wèn)題，需要主路在DCM等待輔路的上個(gè)周期長(cháng)度一半的標志信號PS1，用來(lái)實(shí)現兩路的周期長(cháng)度平衡。

  可知當系統處于完美的180deg交錯的穩態(tài)運行時(shí)，PS1和PS2都分別等于上個(gè)開(kāi)關(guān)周期的一半位置，并且ZCD的發(fā)生位置和PS幾乎同時(shí)出現，再發(fā)出PWM，也就是下圖中的(n-1)的位置的運行情況。在(n)的位置輔路的導通時(shí)間增加了一點(diǎn)時(shí)長(cháng)，PS1(n+1)是輔路上個(gè)周期(n)的長(cháng)度。在同時(shí)主路的ZCD1(n+1)發(fā)生，此時(shí)主路的PWM置位所需的兩個(gè)信號都已經(jīng)到位分別是PS1(n+1)和ZCD1(n+1)，主路發(fā)出PWW，并得到主路上個(gè)周期的時(shí)間長(cháng)度的一半PS2(n+1)，可以看到PS2(n+1)先于ZCD2(n+1)產(chǎn)生。是因為在(n)時(shí)刻，輔路的ON TIME增加了，使得電流過(guò)的電流變大所以ZCD發(fā)生所需要的時(shí)間要晚于主路的PS2(n+1)，所以這里由ZCD2(n+1)來(lái)刷新PWM周期，輔路以BCM模式工作。

  其實(shí)輔路的周期長(cháng)度已經(jīng)增加了PS1(n+2)的長(cháng)度是變化了，我們可以看到即使主路的ZCD1(n+2)已經(jīng)產(chǎn)生，但是還需要等到輔路的上個(gè)周期長(cháng)度PS1(n+2)走到，主路的PWM觸發(fā)的置位不能給出，主路的PWM全部OFF，進(jìn)入DCM狀態(tài)等待PS1(n+2)，然后主路發(fā)出PWM開(kāi)始新的周期，這里主路由于等待了一會(huì )輔路的周期長(cháng)度一半的標志信號PS1(n+2)，從ZCD到GS開(kāi)啟的時(shí)間長(cháng)度也因為DCM等待時(shí)間也變長(cháng)了PS2(n+2)這里就變得與 輔 路的PS1(n+2)一樣長(cháng)。

  這里輔路也是ZCD2(n+2)先產(chǎn)生，要等待主路的開(kāi)關(guān)周期長(cháng)度一半的標志PS2(n+2)，也進(jìn)入了DCM等待一下，然后再開(kāi)啟的PWM。輔路的上個(gè)周期長(cháng)度一半的標志PS1(n+3)恰好與ZCD1(n+3)同時(shí)發(fā)生，說(shuō)明控制電路把主路和輔路都增加了周期時(shí)長(cháng)，使系統再次達到了BCM的穩態(tài)。論文中還分析其他擾動(dòng)的工作情況，但是都因為主路和輔助相互的影響時(shí)間長(cháng)度來(lái)調整到新的穩態(tài)，解決了進(jìn)入CCM的問(wèn)題，我就沒(méi)有放出來(lái)。

  上圖只是為了方便進(jìn)行原理性的分析，下圖論文給出了具體的邏輯實(shí)現電路：兩個(gè)相同參數的積分器和相同的峰值檢波除以2功能，目的是得到在電容上的斜坡電壓的一半的持續高電平波形，它用來(lái)表示主從的上個(gè)開(kāi)關(guān)周期長(cháng)度的一半的時(shí)間長(cháng)度并送到PWM觸發(fā)器的S引腳的AND門(mén)上。它的分析過(guò)程可以參考上圖中的擾動(dòng)分析方法。

運行波形：

測試實(shí)現：

  小結：根據參考文獻的內容學(xué)習了一種BCM交錯PFC的時(shí)序邏輯的實(shí)現方法，并分析了其他實(shí)現的優(yōu)缺點(diǎn)，對于理解BCM交錯PFC的控制有非常有益的效用。本人能力有限，如有錯誤懇請指正。請以論文原文為準，上文中的內容有很多是自己的主觀(guān)想法，謝謝觀(guān)看，感謝支持，謝謝。

參考文獻：

A Cross-Coupled Master–Slave Interleaving Method for Boundary Conduction Mode (BCM) PFC Converters Hangseok Choi, Senior Member, IEEE, and Laszlo Balogh, Member, IEEE IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, VOL. 27, NO. 10, OCTOBER 2012

關(guān)于本人：

  我是楊帥，目前從事逆變器儲能行業(yè)，專(zhuān)注在雙向AC/DC變換器領(lǐng)域，對雙向DC/DC的研究較多。數年來(lái)一直從事電力電子仿真技術(shù)研究與應用推廣，致力于實(shí)現讓天下沒(méi)有難搞的電源而努力。

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