前言：在前不久我在TCM交錯(cuò)PFC的變頻錯(cuò)相上提出使用LPF得到周期長度平均值的方法再配合主路ZCD來實(shí)現(xiàn)，在仿真上取得了一些效果《以COT控制方法簡化兩相交錯(cuò)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來刷新周期，輔路的開通是從主路delay 180°的地方開啟。這樣如果因?yàn)殡姼辛康牟町惢蛘哒f是負(fù)載變化時(shí)，主路ON TIME的擾動(dòng)導(dǎo)致主路可以用ZCD來刷新周期確保是ZVS工作。但是由于輔路沒有直接抓到ZCD就開啟新的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問題呢？
本文絕大部分內(nèi)容是搬運(yùn)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)人主觀內(nèi)容，如果覺得表達(dá)的不清楚或者是存在錯(cuò)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#種方法是開環(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(jiān)測和保持電路來取得三角波的峰值，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，輔路只是靠著周期一半的地方發(fā)出PWM，沒有ZCD的參與進(jìn)去，這樣做的目的是為了#簡單的實(shí)現(xiàn)在BCM工作模式中變頻時(shí)保證180°的錯(cuò)相輸出，但是可能會(huì)導(dǎo)致輔路進(jìn)入CCM。
我用仿真軟件簡單的模擬了這個(gè)idea，在峰值監(jiān)測和保持中我用的二極管整流對電容充電的方式來抓到主路定時(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(hào)，去置位輔路的PWM，可見：
輸出：
為了分析開環(huán)主從控制的穩(wěn)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的開通點(diǎn)擾動(dòng)，兩種情況都導(dǎo)致了開環(huán)的主從開始的時(shí)序會(huì)亂掉，會(huì)一直維持錯(cuò)誤狀態(tài)，當(dāng)擾動(dòng)結(jié)束后不能修正這種錯(cuò)誤，導(dǎo)致輔路會(huì)進(jìn)入CCM。雖然說交錯(cuò)的BCM可以使用解耦磁集成的方式來做PFC電感，通過相同的磁性材料和繞線結(jié)構(gòu)來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(qū)動(dòng)、負(fù)載變化、輸入變化時(shí)產(chǎn)生的擾動(dòng)，以#于開環(huán)控制的主從并不能較好的應(yīng)用在實(shí)際的交錯(cuò)BCM系統(tǒng)上。
我們再來考慮使用鎖相環(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)器來抓到兩者之間的時(shí)間差的方波，然后用濾波器來將方波低通成直流量，然后通過閉環(huán)控制的方法去調(diào)整輔路的定時(shí)器的電壓斜坡的上升速度，在閉環(huán)調(diào)節(jié)的作用下逐漸達(dá)到相位保持在180°，這種方法我之前在這篇文章中有過介紹，是ETH的KOLAR團(tuán)隊(duì)進(jìn)行交錯(cuò)TCM的PFC做的實(shí)現(xiàn)方法，可見：《妙用數(shù)字邏輯巧解多相TCM控制中的變頻錯(cuò)相同步問題 by ETH Kolar團(tuán)隊(duì)》。
這個(gè)問題就是閉環(huán)調(diào)節(jié)需要時(shí)間，在負(fù)載動(dòng)態(tài)，開關(guān)周期長度發(fā)生變化時(shí)候，重新回到穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)所需要的時(shí)間較長，對于PFC這種持續(xù)在變頻的應(yīng)用確實(shí)不是很好的方法。
大多數(shù)BCM的PFC控制器內(nèi)部有設(shè)置#長周期時(shí)間，它是通過復(fù)位定時(shí)器來觸發(fā)PWM信號(hào)，如當(dāng)輸出電壓非常接近設(shè)置電壓導(dǎo)致電感兩端沒有足夠的電壓去為電感電流放電，在當(dāng)前的周期結(jié)束后，ZCD沒有抓到則系統(tǒng)會(huì)進(jìn)到CCM運(yùn)行，并且系統(tǒng)的工作頻率由內(nèi)部的復(fù)位定時(shí)器的時(shí)間長度來決定。這種靠鎖相環(huán)去調(diào)節(jié)輔路的導(dǎo)通時(shí)間的方法并不能讓系統(tǒng)脫離出CCM模式。
另外一個(gè)問題是當(dāng)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(dǎo)通時(shí)間增大來增大相差，由于加大了導(dǎo)通時(shí)間這樣只會(huì)繼續(xù)增加了電感電流，并不能使得系統(tǒng)脫離CCM模式，反而會(huì)繼續(xù)惡化系統(tǒng)的工況導(dǎo)致發(fā)生炸雞的情況。
論文提出了一種新的實(shí)現(xiàn)方法，利用的是主從兩路相互影響的方法來解決BCM因?yàn)閿_動(dòng)進(jìn)入CCM不能自己退出的問題。下圖是簡化的實(shí)現(xiàn)方法，對于每個(gè)BCM的開關(guān)周期都進(jìn)行測量，并把它定為主從兩路的GS開啟到ZCD發(fā)生所持續(xù)的時(shí)間，并使用積分器上的電壓斜坡高度來表示開關(guān)周期的長度。PS信號(hào)是兩個(gè)相位移動(dòng)的標(biāo)志，命名為PS1和PS2，它把主從兩路的開關(guān)周期的長度的一半的時(shí)間點(diǎn)的標(biāo)志信號(hào)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)開關(guān)周期一半的時(shí)間信號(hào)PS1與自己的ZCD1。
這里#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一起置高才能開啟新的PWM輸出，這里是整個(gè)BCM變頻交錯(cuò)實(shí)現(xiàn)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(hào)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(nèi)PWM觸發(fā)器的置位為低，主路PWM會(huì)繼續(xù)處于關(guān)閉。并因?yàn)殡姼幸呀?jīng)ZCD，此時(shí)是電感與Coss進(jìn)諧振的DCM狀。當(dāng)PS1和ZCD1都到位后，再開啟主路PWM。不管是主路還是輔路都需要參考相對于的上個(gè)周期的長度來進(jìn)行PWM開關(guān)，當(dāng)ZCD1先發(fā)生而PS1還沒到位，說明輔路在上個(gè)開關(guān)周期的長度增長了，為了避免主路因?yàn)殚_關(guān)長度比輔路短一點(diǎn)可能會(huì)進(jìn)入CCM問題，需要主路在DCM等待輔路的上個(gè)周期長度一半的標(biāo)志信號(hào)PS1，用來實(shí)現(xiàn)兩路的周期長度平衡。
可知當(dāng)系統(tǒng)處于#的180deg交錯(cuò)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，PS1和PS2都分別等于上個(gè)開關(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(xiàn)，再發(fā)出PWM，也就是下圖中的(n-1)的位置的運(yùn)行情況。在(n)的位置輔路的導(dǎo)通時(shí)間增加了一點(diǎn)時(shí)長，PS1(n+1)是輔路上個(gè)周期(n)的長度。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(hào)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)間長度的一半PS2(n+1)，可以看到PS2(n+1)先于ZCD2(n+1)產(chǎn)生。是因?yàn)樵?n)時(shí)刻，輔路的ON TIME增加了，使得電流過的電流變大所以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)來刷新PWM周期，輔路以BCM模式工作。
其實(shí)輔路的周期長度已經(jīng)增加了PS1(n+2)的長度是變化了，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開始新的周期，這里主路由于等待了一會(huì)輔路的周期長度一半的標(biāo)志信號(hào)PS1(n+2)，從ZCD到GS開啟的時(shí)間長度也因?yàn)镈CM等待時(shí)間也變長了PS2(n+2)這里就變得與輔路的PS1(n+2)一樣長。
這里輔路也是ZCD2(n+2)先產(chǎn)生，要等待主路的開關(guān)周期長度一半的標(biāo)志PS2(n+2)，也進(jìn)入了DCM等待一下，然后再開啟的PWM。輔路的上個(gè)周期長度一半的標(biāo)志PS1(n+3)恰好與ZCD1(n+3)同時(shí)發(fā)生，說明控制電路把主路和輔路都增加了周期時(shí)長，使系統(tǒng)再次達(dá)到了BCM的穩(wěn)態(tài)。論文中還分析其他擾動(dòng)的工作情況，但是都因?yàn)橹髀泛洼o助相互的影響時(shí)間長度來調(diào)整到新的穩(wěn)態(tài)，解決了進(jìn)入CCM的問題，我就沒有放出來。
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(xiàn)電路：兩個(gè)相同參數(shù)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(xù)高電平波形，它用來表示主從的上個(gè)開關(guān)周期長度的一半的時(shí)間長度并送到PWM觸發(fā)器的S引腳的AND門上。它的分析過程可以參考上圖中的擾動(dòng)分析方法。
運(yùn)行波形：
測試實(shí)現(xiàn)：
小結(jié)：根據(jù)參考文獻(xiàn)的內(nèi)容學(xué)習(xí)了一種BCM交錯(cuò)PFC的時(shí)序邏輯的實(shí)現(xiàn)方法，并分析了其他實(shí)現(xiàn)的優(yōu)缺點(diǎn)，對于理解BCM交錯(cuò)PFC的控制有非常有益的效用。本人能力有限，如有錯(cuò)誤懇請指正。請以論文原文為準(zhǔn)，上文中的內(nèi)容有很多是自己的主觀想法，謝謝觀看，感謝支持，謝謝。
參考文獻(xiàn)：
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(chǔ)能行業(yè)，專注在雙向AC/DC變換器領(lǐng)域，對雙向DC/DC的研究較多。數(shù)年來一直從事電力電子仿真技術(shù)研究與應(yīng)用推廣，致力于實(shí)現(xiàn)讓天下沒有難搞的電源而努力。
