CN108512411A - 基于双重积分滑模控制的数字式大功率图腾柱pfc - Google Patents
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Abstract
本发明涉及PFC技术领域,具体涉及一种基于双重积分滑模控制的数字式大功率图腾柱PFC,尽管积分控制可以改善系统稳态误差,但仅使用积分滑模还不能使升压电路获得满意的稳态性能[15],[16],通常增加积分控制的阶数可以进一步改善稳态性能,所以采用双重积分滑模对样机进行控制,通常功率大于2kW的PFC电路采用交错式结构,该结构不仅可以降低器件的功率要求,还可以减少电感电流和输出电压的纹波,但交错结构增加了器件的数量,导致功率密度降低。如果采用双重积分滑模控制并且使用GaN HEMT作为开关管,即使不采用交错式结构,大功率图腾柱PFC也能获得更好的性能。具有很强的创造性。
Description
技术领域
本发明涉及PFC技术领域,具体涉及一种基于双重积分滑模控制的数字式大功率图腾柱PFC。
背景技术
虽然线性小型号模型便于建模和分析,但是由于小型号这一前提条件的局限性,当PFC工作在全电压以及负载变化范围大的场合下,应用小型号模型建模很难获得满意的精度。另外根据[1],在PFC的全工作范围内,应用小型号模型不能准确地分析PFC的稳定性。当控制参数不确定时,滑模控制应用在变结构控制系统中具有很高的鲁棒性和稳定性[2],该特点使其适合应用在开关电源这一非线性系统中。需要说明的是,开关电源的开关器件不可能达到无限高的频率,所以为了减小振颤,开关频率越高越好。
与Si MOSFET相比,GaN HEMT的优点可以归纳为:驱动功率小;开关损耗小;反向恢复损耗小;没有电压振荡(米勒效应)。也就是说,采用GaN HEMT可以实现很高的开关频率而不会导致效率下降很多。GaN HEMT的这些优点使其适合应用于滑模控制的图腾柱PFC。
研究人员和工程师竭尽全力提高PFC的性能,主要精力放在提高效率、功率密度和功率因数,以及降低THD和EMI[3]-[8]。PFC的发展趋势是应用更少的器件同时获得更好的性能,从而满足上述需求。在所有的PFC拓扑结构中,图腾柱结构使用的器件最少,这也意味着图腾柱结构的传导损耗最小。然而在GaN HEMT工业化应用之前,使用Si MOSFET的图腾柱电路很难得到实际应用,这是因为Si MOSFET的开关损耗比较大导致效率很低,以及其体二极管在反向恢复时寄生振荡导致谐波较大,这些不利因素使得使用Si MOSFET的图腾柱电路只能应用在断续电流传导模式(DCM)和临界电流传导模式(CRM),而不能应用在需要连续电流传导模式(CCM)的大功率高效率的PFC。
当PFC的功率大于2kW时,通常采用交错结构[9]-[11],即采用2个及以上的升压单元错开相位(错开的相位角度=π/升压单元数)的方式工作。每个升压单元输出的波形错开一定的相位叠加在一起,叠加后的波形的纹波比单个升压单元的纹波要小。这种技术不仅可以降低器件的功率要求,减小器件的体积,还可以减少电感电流和输出电压的纹波从而减小EMI[12],[13]。但是,交错结构增加了器件的数量从而导致PFC体积增大,从而导致了功率密度的下降。
采用DSP控制并且使用GaN HEMT作为开关器件的图腾柱PFC,即使功率达到2.4kW,不采用交错式结构也能达到很高的性能要求。这是因为GaN HEMT没有寄生电压振荡,所以EMI很低;由于开关损耗小,可以实现高频开关,所以降低了纹波。和传统采用Si MOSFET的交错结构PFC相比,采用GaN HEMT的非交错结构图腾柱PFC在效率、谐波和功率密度方面可以获得更好的性能。为了验证理论分析的正确性,制作了一个2.4kW的样机。该样机的最高效率可以达到99.07%(50kHz),最低THD仅为2.8%(115V)and 2.7%(230V)。采用图腾柱结构的PFC最高功率密度可达130W/立方英寸。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足,本发明提供了一种基于双重积分滑模控制的数字式大功率图腾柱PFC,结构不仅可以降低器件的功率要求,还可以减少电感电流和输出电压的纹波,但交错结构增加了器件的数量,导致功率密度降低。如果采用双重积分滑模控制并且使用GaN HEMT作为开关管,即使不采用交错式结构,大功率图腾柱PFC也能获得更好的性能。
(二)技术方案
为实现以上目的,本发明通过以下技术方案予以实现:
对工作在CCM模式下的升压电路进行拉普拉斯变换时,传递函数在右半平面有零点,即为非最小相位系统。这会导致系统的动态响应滞后,特别是系统仅用电压控制时更为明显,所以常使用电流控制改善升压电路的动态响应。尽管积分控制可以改善系统稳态误差,但仅使用积分滑模还不能使升压电路获得满意的稳态性能[15],[16],通常增加积分控制的阶数可以进一步改善稳态性能,所以采用双重积分滑模对样机进行控制,拓扑结构和算法设计见图一。Q1和Q2是GaN HEMT开关器件,T1和T2是Si MOSFET.
当输入电压vi<0时,分析方法与vi>0相似。当vi<0,vi,iL使用绝对值。在本文中,只分析vi>0的情况。当vi>0,当T2导通,Q1导通,Q2关断时,电感电压vL=vi-vo,and u=1;当T2导通,Q1关断,Q2导通时,vL=vi,其中u=0.所以vL=vi-uvo.
控制状态变量是电流误差x1;电压误差x2;电流误差和电压误差的积分x3;电流误差和电压误差的双重积分x4。如式(1)所示:
其中iref=K(Vref-βvo),K=|vi|/ViRMS,and|vi|and ViRMS分别是输入电压瞬时值的绝对值和有效值。滑动流形可以表示为:
S=α1x1+α2x2+α3x3+α4x4 (2)
对式(1)中的状态变量进行微分,可得到:
令
那么等效滑模控制律ueqc可表示为:
其中
为了确保滑模控制的存在,必须得到满足;由式(3)和(4),存在条件可表示为:
其中vo(ss)是稳态输出电压,iC(max)和iC(min)分别是稳态电容电流的最大值和最小值.输入电压最小值vi(min)不是0伏,而是4.5V。如果输入电压低于4.5V,开关器件全部关闭避免出现计算错误,此时由电容对负载进行供电.x1(max)和x1(min)分别是稳态电流误差的最大值和最小值;x2(max)和x2(min)分别是稳态电压误差的最大值和最小值;x3(max)和x3(min)分别是稳态电流误差和稳态电压误差之和的积分的最大值和最小值;设计参数必须满足式(6)。
只要PFC的双重积分滑模控制系统的雅可比矩阵特征值具有负实部,它的稳定性就能得到确保。稳定性条件可以通过两个步骤得到:一、推导出系统的理想滑模动态;二、在平衡点分析稳定性[16]。
通过系统电感电压和电容电流的分析,稳定性条件可表示为:
通过将u替换为ueq,可到到理想滑模动态:
假设平衡点存在于滑动流形中,当 时,从式(8)可推导出平衡点方程:
根据摄动理论并且参考式(5),(8)和(9),在平衡点附近可将理想滑模动态的小信号模型进行线性化。将信号分解为直流信号的交流信号的叠加(大写字母代表直流,小写字母和上划“~”表示交流),线性化方程可表示为:
其中
根据式(11)和式(12)可得到特征方程:
其中
根据劳斯-赫尔维茨定理,稳定性的判定条件可表示为:
为了确保滑模控制系统的稳定性,不等式b>0,bc-d>0,bcd-b2e-d2>0,和e>0必须得到满足.
占空比D可以通过滑模控制律ueq和1-vi/vo来确定,可表示为:
(三)有益效果
使用GaN HEMT作为开关器件,基于双重积分滑模控制的数字式图腾柱PFC在本文中进行了详细介绍。由于前述的双重积分滑模控制和GaN HEMT的优点,该大功率PFC样机和基于线性控制和Si MOSFET传统PFC相比,在效率、功率损失、THD和EMI等方面表现出更为优良的性能,并且结构更为紧凑,功率密度更高。使用GaN HEMT的图腾柱PFC的成本并不比使用Si MOSFET的PFC高,这是由于没有采用交错式结构,器件数量较少,并且滤波成本也很低。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的拓扑结构和算法设计图;
图2是本发明的PFC输入电压和输入电流的波形图;
图3是本发明的效率和功率损失的测量结果示意图;
图4是本发明的当负载超过半载时电压示意图;
图5是本发明的EMI测试结果图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
在不同输出条件下,PFC输入电压和输入电流的波形如图三所示。可以观察出,输入电压越高和输出功率越高,输入电流的波形越好。当输入电压为230V,输出功率为2kW时,输入电流的有效值和峰峰值分别为8.77A和29.2A。而当输入电压为115V,输出功率为1kW时,输入电流的有效值和峰峰值分别为9.04A和32.4A。
效率和功率损失的测量结果如图四所示。随着开关频率的升高,效率也随之下降,功率损失相应地升高。在不同开关频率下,峰值效率分别为99.07%(50kHz),98.79%(100kHz)和98.48%(150kHz).
如图五所示,当负载超过半载时,无论输入电压是115V还是230V,THD都在4%以下。最小的THD值分别是2.8%(115V)和2.7%(230V)。测试结果满足IEC61000-3-12.
EMI测试结果如图六所示,测试的电压和功率分别为230V和1.2kW.
使用GaN HEMT作为开关器件,基于双重积分滑模控制的数字式图腾柱PFC在本文中进行了详细介绍。由于前述的双重积分滑模控制和GaN HEMT的优点,该大功率PFC样机和基于线性控制和Si MOSFET传统PFC相比,在效率、功率损失、THD和EMI等方面表现出更为优良的性能,并且结构更为紧凑,功率密度更高。使用GaN HEMT的图腾柱PFC的成本并不比使用Si MOSFET的PFC高,这是由于没有采用交错式结构,器件数量较少,并且滤波成本也很低。需要说明的是,与Si MOSFET相比,GaN HEMT只有工作在CCM模式下优势才会很明显,在DCM和CRM模式下优势并不明显。
需要说明的是,在本文中,诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来,而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且,术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下,由语句“包括一个……”限定的要素,并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (7)
1.基于双重积分滑模控制的数字式大功率图腾柱PFC,其特征在于:所述PFC采用双重积分滑模对样机进行控制,Q1和Q2是GaN HEMT开关器件,T1和T2是Si MOSFET,当vi<0,vi,iL使用绝对值,当vi>0,当T2导通,Q1导通,Q2关断时,电感电压vL=vi-vo,and u=1;当T2导通,Q1关断,Q2导通时,vL=vi,其中u=0.所以vL=vi-uvo控制状态变量是电流误差x1;电压误差x2;电流误差和电压误差的积分x3;电流误差和电压误差的双重积分x4,如式(1)所示:
其中iref=K(Vref-βvo),K=|vi|/ViRMS,and|vi|and ViRMS分别是输入电压瞬时值的绝对值和有效值。
2.根据权利要求1所述的双重积分滑模,其特征在于:滑动流形表示为:
S=α1x1+α2x2+α3x3+α4x4 (2)
对式(1)中的状态变量进行微分,可得到:
令
那么等效滑模控制律ueq c可表示为:
其中
3.根据权利要求2所述的双重积分滑模,其特征在于:滑动流形表示为:为了确保滑模控制的存在,必须得到满足;由式(3)和(4),存在条件可表示为:
其中vo(ss)是稳态输出电压,iC(max)和iC(min)分别是稳态电容电流的最大值和最小值.输入电压最小值vi(min)不是0伏,而是4.5V,如果输入电压低于4.5V,开关器件全部关闭避免出现计算错误,此时由电容对负载进行供电.x1(max)和x1(min)分别是稳态电流误差的最大值和最小值;x2(max)和x2(min)分别是稳态电压误差的最大值和最小值;x3(max)和x3(min)分别是稳态电流误差和稳态电压误差之和的积分的最大值和最小值;设计参数必须满足式(6)。
4.根据权利要求1所述的基于双重积分滑模控制的数字式大功率图腾柱PFC,其特征在于:通过系统电感电压和电容电流的分析,稳定性条件可表示为:
通过将u替换为ueq,可到到理想滑模动态:
假设平衡点存在于滑动流形中,当时,从式(8)可推导出平衡点方程:
根据摄动理论并且参考式(5),(8)和(9),在平衡点附近可将理想滑模动态的小信号模型进行线性化,将信号分解为直流信号的交流信号的叠加(大写字母代表直流,小写字母和上划“~”表示交流),线性化方程可表示为:
5.根据权利要求4所述的滑模控制系统,其特征在于:忽略式(10)中的直流项,可得到:
其中
根据式(11)和式(12)可得到特征方程:
其中
根据劳斯-赫尔维茨定理,稳定性的判定条件可表示为:
6.根据权利要求4所述的滑模控制系统,其特征在于:为了确保滑模控制系统的稳定性,不等式b>0,bc-d>0,bcd-b2e-d2>0,和e>0必须得到满足.
占空比D可以通过滑模控制律ueq和1-vi/vo来确定,可表示为:
7.根据权利要求6所述的滑模控制系统,其特征在于:通过方程(16),导通时间的计算程序可以确定,其中v_ref,ic,il,vi,vo,K,K1,K2,K3代表Vref,iC,iL,vi,vo,K,K1,K2,K3.在方程(16)中,β可以设置为1,period是DSP周期值的一半.导通时间计算程序可表示如下:
v_err=v_ref-vo;
i_err=K*v_err-il;
sigma_v_err+=v_err;
sigma_i_err+=i_err;
duty_delta=(K1*ic+K2*(v_err+i_err)+K3*(sigma_v_err+sigma_i_err))/vo;
duty=period+period*duty_delta。
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