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。

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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。