平均电流控制PFC过零畸变原因分析

vg (t )
hs Ti ( s )
1 / Vm
×g
iref
H i (s)
平均电流控制Boost PFC变换器
Giv (s) = 1/ (r + sL)
电流环传递函数：
Gid (s) = Vo / (r + sL)
ωi (1 + s / ω z ) H i (s) = s (1 + s / ω p )
Pin = 130W
100V / 格
t / μs
1A / 格
f line = 600Hz
200μ s / 格
Pin = 130W
t / μs
iin
vin
1A / 格
f line = 800Hz
200μ s / 格
Pin = 130W
t / μs
单相Boost PFC过零畸变解决方案
vg
L
D
S
vg (t )
YCdc ( s )
ig
d
iL
hs is ierr
Ti ( s )
1/ Vm
g
iref
H i (s)
vd
− Giv ( s ) Gid ( s )Vm 1H i ( s ) ig ( s ) = vg ( s ) + gvg ( s ) + sCdc vg ( s ) 1 + Ti ( s ) 1 + Ti ( s )
Phase / deg
Y ( s)
Y '(s)
100W
300W 500W
100W
300WHz
不同功率下输入导纳波特图
不同输入频率下的过零畸变
100V / 格
iin
vin
100V / 格
iin
vin
0
0
1A / 格
f line = 400Hz
400μ s / 格
2010-3-22
单相Boost PFC过零畸变解决方案
vin
5A/格
iin
40V / 格
200μ s / 格
t / μs
加入补偿后输入电压和输入电流波形 THD=1.836%，PF=0.999 (@fline=800Hz、P0=460W)
单相Boost PFC过零畸变解决方案
( I h / I1 ) / %
谐波次数
平均电流控制PFC过零畸变原因分析
作者 ：王少永，张方华，王建华 报告人：王建华 南京航空航天大学航空电源重点实验室203
报告内容
研究背景 电感电流尖端畸变 电流环和输入滤波电容的影响 总结
报告内容
研究背景 电感电流尖端畸变 电流环和输入滤波电容的影响 总结
研究背景
L
vin
Co
RL
单相不控整流，PF=0.6~0.7
输入导纳等效支路
输入导纳波特图
改善方案1
vg
Cdc vin
L D
S
Co
Load
Cac Rci
Rcz
MUL
Ccp
PWM
Ccz
Vramp
Rm
Vc
Rvf
Cvf
Vref 改善措施1：减小直流滤波电容，添加交流滤波电容
改善前后的对比
100V / 格
100V / 格
iin
iin
vin
vin
0.5 A / 格
电流环的影响
vg (t )
Giv
ig
hs
Gid
d
Ti
is ierr
1/ Vm
vd
iref
g
Hi (s)
由梅森公式可得：
− Giv ( s ) Gid ( s )Vm 1H i ( s ) gvg ( s ) ig ( s ) = vg ( s ) + 1 + Ti ( s ) 1 + Ti ( s )
PFC变换器输入导纳：
− Giv (s) Gid (s)Vm 1Hi (s) = + Y (s) = g vg (s) 1+ Ti (s) 1+ Ti (s)
ig (s)
电流环的影响
− Giv ( s ) Gid ( s )Vm 1H i ( s ) + g = Y1 ( s ) + Y2 ( s ) Y ( s) = 1 + Ti ( s ) 1 + Ti ( s )
− Giv ( s ) Gid ( s )Vm 1H i ( s ) Y (s) = g + sCdc = + vg ( s ) 1 + Ti ( s ) 1 + Ti ( s )
ig ( s )
输入滤波电容的影响
− Giv ( s ) Gid ( s )Vm 1H i ( s ) Y (s) = g + sCdc = + vg ( s ) 1 + Ti ( s ) 1 + Ti ( s )
i
vg
g
Magnitude / dB
Y ( s)
Y2 (s)
Y1 (s)
Y1
Y2
Phase / deg
i
g1
i
Y ( s)
0
Y1 (s)
g2
Y2 (s)
f line
f / Hz
输入导纳等效支路
输入导纳波特图
过零畸变
Magnitude / dB
Y ( s)
Y2 (s) Y1 (s)
iin
0
vin
T3
Co
Load
Giv
Gid
d
Cdc
vin Rci Rc
MUL
YCdc
Ccp
PWM
ig
iref
iL
hs Ti
1/ Vm
Cc Rcz Rm Vc Ccz
Vramp
Rvf Cvf
g
is i err
H i (s)
vd
H c (s)
Vref
平均电流控制Boost PFC变换器
平均电流控制Boost PFC变换器控制框图
0.8mH
0.4mH
5A
ϕ / deg
3A
0.2mH
1A
f line
f / Hz
f line
f / Hz
电感对尖端畸变角度的影响
负载对尖端畸变的影响
2π f line LI in ϕ = 2arctan Vin
报告内容
研究背景 电感电流尖端畸变 电流环和输入滤波电容的影响 总结
平均电流控制Boost PFC变换器
2 g = Pin Rs / Vin Rci
− Giv (s) Gid (s)Vm1Hi (s) Y(s) = g + sCdc = + vg (s) 1+Ti (s) 1+Ti (s)
ig (s)
Pin ↓ ，g ↓ ，Y ( s )发生变化。
不考虑滤波电容后：
− Giv (s) Gid (s)Vm1Hi (s) Y '(s) = g = + vg (s) 1+Ti (s) 1+Ti (s)
报告内容
研究背景 电感电流尖端畸变 电流环和输入滤波电容的影响 总结
Boost 升压电感的影响
iL
L
D1 vin D3
D2
+
D
| vin | S
D4 R s
vs Co
−
+ Vo RL −
Dmax = 1
vin = 2Vin sin(2π flinet )
2Vin ⋅ [1 − cos(2π f linet )] iL = 2π f line L
ig ( s )
Y ( s ) = Y1 ( s ) + Y2 ( s ) + YCdc ( s )
i
vg
Magnitude / dB
Y (s)
g
YCdc (s)
Y2 (s)
Y1(s)
Phase / deg
YCdc
Y1
Y2
Y1(s)
YCdc (s)
Y (s)
iC
dc
i
g1
i
g2
Y2 (s)
f line / Hz
vg
L S
D
Co
Load
vin
Rci
Ccp
PWM
Rcz
MUL
Ccz
Vramp
Rvf Cvf
Rm
Vc
Vref
平均电流控制Boost PFC变换器
电流环的影响
ig
L
C
vo
R
假定以下条件成立： 1.所有的器件是理想的。 2.电感电流工作在连续模态下。 3.输出电压是常数。 4.采样电阻足够小， 功率级建模时可以忽略。 功率级传递函数：
diL L =| vin | dt
iL = k ⋅ iref = 2 I in sin(2π f linet )
2π fline LI in ϕ = 2arctan Vin
电感电流尖端畸变
i
' L
iL
ϕ
2π fline LI in ϕ = 2arctan Vin
Boost 升压电感的影响
ϕ / deg
I c | fline =800 Hz = 16 I c | fline =50 Hz
假设：Ci = 0.47μF , Vin = 115V
I c | fline =50 Hz = 0.017A
I c | fline =800 Hz = 0.27A
输入滤波电容的影响
vg
Giv ( s )
Gid ( s )
0.5 A / 格
f line = 600Hz
400μ s / 格
Pin = 130W
t / μs
f line = 600Hz
400μ s / 格
Pin = 130W
t / μs
(a) Cac = 0, Cdc = 1μ F
(b) Cac = 1μ F , Cdc = 0.1μ F
负载大小与过零畸变的关系
100V / div
vin
vin
Co
RL
5 A / div
iin
10ms / div
PFC变换器，PF ≈ 1
研究背景
PFC 变换器
航电APFC过零畸变问题
100V / 格
iin
vin
输入电流过零畸变
1A / 格
f line = 800Hz
200μ s / 格
Pin = 130W
t / μs
航空电网：输入频率400Hz(360Hz~800Hz)
补偿前后的谐波分布
报告内容
研究背景 电感电流的尖端畸变现象 电流环和输入滤波电容的影响 总结
总结
1. 电流环设计不合理是造成过零畸变的主导原因。 2. 直流滤波电容加剧了过零畸变。 3. 电流环和直流滤波电容造成的过零畸变会随着输入频率 增加、负载减小而加剧。 4. 电感造成的尖端畸变是中频PFC变换器过零畸变的原因之 一。负载越大、电感越大，尖端畸变越严重。
Phase / deg
Y ( s)
0
Y1 (s)
T1
T2
Y2 (s)
f line
t
f / Hz
频域波形
时域波形
输入滤波电容的影响
vg
L
D
S Co
Load
Cdc
Rci
滤波电容的输入阻抗
Ccp
PWM
Rcz
MUL
Ccz
Z c ( jω ) =
1 jωCi
Rm
Vramp
Rvf
Cvf Vref
Vc
I c = 2π f lineCdcVin