六.控制地的選擇
在傳統的單相有橋PFC中,一般把PFC電容的負極作為控制AGND,因為該點的電壓通過整流橋跟輸入的L、N相連。當輸入為正半周的時候,AGND為整流橋鉗位在N線;當輸入負半周的時候,AGND被整流橋鉗位在L線;所以母線電容的負極地AGND(相當于PE)是一個工頻的變化,由于輸入一般都是50Hz的交流電,所以相對還是比較穩定的,可以作為控制電路的控制地。但是相比較Vienna PFC就不一樣了,母線電容的中點相對與工頻電壓中點(PE)是一個開關級的5電平高頻變動的電平:±2/3Vo、0、±1/3Vo(這里的Vo代表母線電壓的一半,典型值400V,5電平是如何產生的請參考開關狀態附件的eon),如果以如此大的高頻波動去作為控制地的話,那么噪聲和共模干擾就會非常的大,可能會導致采樣電壓和驅動不準確,嚴重影響到電路的可靠性。
電容中點的高頻變化不能作為控制地,那怎么辦?我們是否可以構建一個虛擬的地來作為控制地AGND?我們可以在三相輸入之間通過分壓電阻相連,采用Y型接法產生虛擬地,繼而作為控制地。不過構建了這個控制地后,那么其他所有的采樣、驅動都要以差分和隔離的方式相對于這個控制地來工作。采用這種方法,輸出電容中點O與控制地AGND分開了,避免了高頻劇烈變動帶來的干擾。
圖18控制地AGND
這樣做是不是完美解決了控制地的問題?在實際工作過程中,AGND依然存在劇烈的波動,并不是我們想象的那么平靜,AGND跟隨著O在劇烈的波動,AGND的峰峰值非常的大。
如何解決?其根本原因是AGND 和O之間存在采樣電阻的連接(輸出電壓的采樣),而AGND跟PE之間又存在Y電容連接,在O點的高頻信號作用下,AGND自然就被迫分擔一定比例的電壓。解決方案是在AGND與PE之間增加一個低阻通路來降低阻抗,承擔一定的電壓來降低AGND-PE的紋波電壓。
七.母線均壓原理的分析
我們知道,三相Vienna PFC拓撲的母線電壓800V是由兩個電容C1和C2串聯進行分壓,電容中點的電位O由電容的充放電決定,兩個電容的電壓應該保持均衡以保持真實的三電平運行條件。否則輸出電壓可能包含不期望的諧波,甚至會影響到電路的完全性。三相三電平PFC正負母線的均衡度會影響PFC的性能:
- 輸入電流THD;
- 功率開關管和二極管的應力(本身以及后級功率電路);
- 動態時母線電容容易過壓;
電容中點的電位偏差與PFC正負母線電容的充放電過程相關,通過附件開關狀態可以看出,a組和z組工作狀態沒有電流流入或流出電容中點,因此兩個電容的充放電是一樣的,不會產生偏壓。只有b、c、d組的開關狀態才會影響到PFC母線電容充放電的差異,產生偏壓。
根據前面的工作原理分析,POP工作狀態只給電容C1進行充電,ONO工作狀態只給電容C2進行充電,故可以根據這兩個工作狀態來控制中點電位,在控制中可以調節ONO和POP兩個工作狀態的作用時間來進行均壓。
圖19 C2充電
圖20 C1充電
這個時候可以在整個控制環路中添加一個偏壓環,用于調節ONO和POP的作用時間,來進行母線電壓的均壓作用。
具體實施方:是分別對正母線和負母線進行采樣,然后得出差值(直流分量),該差值經過偏壓環的補償器調節之后疊加到輸入電流參考正弦波,經過精密整流后變換為幅值有差異的雙半波作為電流環的給定,以此來改變ONO和POP的作用時間,改善PFC母線均壓。
圖21偏壓給定
如圖22所示,compa、compb和compc分別是每相的電流環計算出來的結果,以0~30度扇區為例,當正母線相對于中點的電壓低于負母線時,正半波的給定變小,負半波的給定變大,POP工作狀態的時間變長,給正母線電容的充電時間變長;ONO工作狀態的時間變短,給負母線電容的充電時間變短。當正母線相對于中點的電壓高于負母線時,正半波的給定變大,負半波的給定變小,POP的作用時間變長,給正母線電容充電的時間變短,ONO的作用時間變長,給負母線的充電時間變長。圖中comp值實線代表上個周期的值,虛線代表當周期的值;陰影部分代表變化的時間;
圖22均壓控制示意圖
以上說明的是主功率回路正常工作時候可以通過調節來控制PFC母線電容的均壓,但是當模塊起機的時候呢?可以采用輔助電源直接從+400V~-400V之間進行取電,由于電容有差異性,內阻不可能完全相等,也會差生偏壓。還有一個是要采用更高等級的MOSFET,成本高,而且現在充電模塊的待機損耗也是一個問題,很多客戶要求模塊的待機損耗不能超過多少。
當然還有另一種輔助電源取電方式,也是現在廠家主流的方式。就是正負母線均掛一個輔助電源,在起機的時候通過充電電阻給母線電容充電,變壓器采用繞組競爭的方式,誰的母線電壓高,就采用誰供電,這樣可以很好的保證模塊在起機過程中的均壓效果;在模塊正常工作起來以后,也是同樣的道理。而直接從+800V取電沒有這種效果。
圖23輔助電源示意圖