解讀CCM的PFC過(guò)零點(diǎn)附近的電流振蕩問(wèn)題

回家跟朋友討論無(wú)橋 TCM 控制避免進(jìn)入 CCM 的辦法，雖然還沒(méi)找到具有可行性的解決辦法。但是我根據(jù)這個(gè)問(wèn)題，想起了曾經(jīng)發(fā)生過(guò)的一件事情：一個(gè)單相 CCM 無(wú)橋 TP PFC 在 AC 電壓過(guò)零點(diǎn)電流振蕩的問(wèn)題，技術(shù)背景是：PWM 使用單極性調(diào)制，只控制兩個(gè)高頻管，另外兩個(gè)低頻做工頻開(kāi)關(guān)。

這個(gè)問(wèn)題應(yīng)該算是 CCM 無(wú)橋 TP PFC 的常見(jiàn)問(wèn)題，典型的波形可見(jiàn)下圖所示。下圖中紫色是電感電流，可見(jiàn)在過(guò)零點(diǎn)附近遇到了很明顯的電流振蕩問(wèn)題。

（電感電流在 AC 過(guò)零點(diǎn)附近震蕩）

針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，我查閱過(guò)一些資料，TI 的有一個(gè) AN 里面有介紹過(guò)這個(gè)問(wèn)題的起因和解決辦法，可見(jiàn)參考文獻(xiàn) 1。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：

（拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)）

簡(jiǎn)單的翻譯一下文檔里面介紹的關(guān)于這個(gè)電流振蕩的起因：

CCM 圖騰柱 PFC 的一個(gè)挑戰(zhàn)是輸入電流在交流過(guò)零時(shí)有很大的尖峰。這個(gè)問(wèn)題是圖騰柱 PFC 拓?fù)涔逃械?，而且起因比較復(fù)雜。能夠?qū)е逻@些尖峰的原因包括開(kāi)關(guān)的開(kāi)啟順序、兩個(gè)工頻管的體二極管的反向恢復(fù)速度較慢、COSS、PWM 信號(hào)的突然互換，都導(dǎo)致了這些電流沖擊。針對(duì)低頻體二極管的問(wèn)題可以通過(guò)下面這個(gè) PWM 邏輯來(lái)減輕影響，在 AC 過(guò)零點(diǎn)前面提前關(guān)閉低頻管，然后對(duì)高頻管進(jìn)行軟啟動(dòng)展開(kāi)：

（在過(guò)零點(diǎn)附近增加啟動(dòng)）

下面是這種策略的具體實(shí)施，過(guò)零點(diǎn)附近停止發(fā)波。

（具體實(shí)施）

實(shí)現(xiàn)效果可見(jiàn)下圖，看起來(lái)還可以。但是如果增加了這個(gè)策略后還是無(wú)法解決過(guò)零點(diǎn)附近的電流振蕩那該怎么辦呢？

（增加軟啟動(dòng)后的實(shí)際測(cè)試效果）

實(shí)際上在 CCM 的 PFC 還有一個(gè)更重要的問(wèn)題容易被人忽略，那就是電感電流超前于電網(wǎng)電壓相位，這個(gè)問(wèn)題我在之前的一個(gè)視頻中提到過(guò)（視頻可見(jiàn)：《降低單相 PFC 的 ithd 的幾個(gè)點(diǎn)子》），它是因?yàn)?PFC 控制環(huán)路中輸入導(dǎo)納在低頻處是存在 90°超前，正是這個(gè)原因?qū)е铝?CCM 的電感電流超前。更多具體的理論推導(dǎo)，可見(jiàn)參考文獻(xiàn) 2。

（Y1 輸入導(dǎo)納的 BODE 圖）

電感電流超前電網(wǎng)電壓的波形：

（電感電流超前）

當(dāng)電感電流超前且在 AC 過(guò)零換向處，假設(shè)是從 L》N 穿越這個(gè)過(guò)程。低端高頻開(kāi)關(guān) Q2 的電流先是從 D》S，然后由于電感電流先過(guò)零后改變方向，使得 Q2 的電流會(huì)有一段時(shí)間是從 S》D 流。然后高端 Q1 開(kāi)關(guān)續(xù)流時(shí)，Q2 的體二極管需要承受 400V 的反壓而關(guān)閉，由于之前是從 S》D 走的電流，所以體二極管會(huì)產(chǎn)生非常高的反向電流應(yīng)力，再加上此時(shí)電網(wǎng)電壓非常低接近短路狀態(tài)，所以很容易產(chǎn)生較大的電流振蕩。

（開(kāi)關(guān)電流在電感電流超前效應(yīng)產(chǎn)生了電流反向流動(dòng)）

所以針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，我提出的辦法就是解決掉電感電流超前，繼而解決開(kāi)關(guān)在過(guò)零點(diǎn)振蕩的問(wèn)題。要讓補(bǔ)償?shù)綦姼须娏鞯某芭c電網(wǎng)電壓同步，可以直接滯后電流內(nèi)環(huán)的給定正弦波相位即可，所以我把鎖相環(huán)的輸出直接滯后了一點(diǎn)，用于補(bǔ)償電感電流超前。通常鎖相環(huán)是 sinf（theta + xxxx），xxx 就是你的補(bǔ)償值，這樣即可把電感內(nèi)環(huán)給定值滯后，讓電感電流和電網(wǎng)電壓同步。

可見(jiàn)下圖所示，電感電流和電網(wǎng)電壓完全同步，開(kāi)關(guān)的電流波形也沒(méi)出現(xiàn)從 S》D 的流動(dòng)工況：

（補(bǔ)償電感電流超前后的開(kāi)關(guān)電流，沒(méi)有 S》D 流動(dòng)的工況）

小結(jié)：

根據(jù)電感電流超前的表現(xiàn)，提出了無(wú)橋圖騰柱 PFC 在 AC 過(guò)零點(diǎn)容易電流振蕩的一種原因，并提出補(bǔ)償電感電流超前來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題的方法。目前只是一個(gè)想法，在還未實(shí)測(cè)的情況下我不敢說(shuō)完全有用。感謝觀看，如果有錯(cuò)誤懇請(qǐng)幫忙指正。

參考文獻(xiàn)：

1，Control challenges in a totem-pole PFC

By Bosheng Sun Application Engineer， High PowerController Solutions

2，KonstantinP. Louganski， PhD diss.， GeneralizedAverage-Current-Mode Control of Single-Phase AC-DC Boost Converters with PowerFactor Correction， 2007