單周期控制的參考文獻(xiàn)

1、并聯(lián)單周期控制三相PFC整流器楊晨和科越馬斯梅德利, IEEE的高級會員摘要：并聯(lián)三相功率因數(shù)校正（PFC）整流器，大功率應(yīng)用是一個關(guān)鍵問題，因為它的功率范圍延伸到一個更高的水平，并允許采用模塊化設(shè)計,這對于電流共享和循環(huán)電流控制模塊之間的技術(shù)來說是一個挑戰(zhàn)。本文在兩個并聯(lián)整流器上研究這些現(xiàn)象，提出了一種新的電流共享的方法基于單周期控制（OCC）與向量運(yùn)算和雙極性操作。原來的OCC電路和各個模塊之間的通信路徑中，輸入電流共享和循環(huán)電流是有限的，而OCC優(yōu)點，如恒定的開關(guān)頻率，沒有乘法器，和簡單的電路，將被保留。兩個OCC PFC整流器各為2.5千瓦的建造和使用提出的并聯(lián)方法綁在一起。實驗已經(jīng)證

2、明了這種方法的簡單性和有效性。索引條款：循環(huán)電流，電流共享，單周期控制（OCC），并聯(lián)整流，功率因數(shù)校正（PFC），向量運(yùn)算。一、引言對于高功率應(yīng)用，三相電源常用在交流 - 直流的情況下，通常有兩種配置，一個是三個單相功率因數(shù)校正（PFC）整流器的組合，另一個是三相PFC整流器。后者具有獨(dú)特的優(yōu)勢。首先，能流是恒定的，這可以降低電容器的數(shù)目和大小;第二，更少的使用交換機(jī);第三，由于較高的效率，降低了開關(guān)損耗和傳導(dǎo)損耗，而且，單周期控制（OCC）技術(shù)的控制電路與三相整流的控制電路一樣的簡單。此外，三相PFC整流器并聯(lián)運(yùn)行的功率范圍延伸到一個更高的水平，并允許模塊化的設(shè)計。以往，N 1模塊目的用于

3、處理冗余，以提高系統(tǒng)的可靠性。然而，并聯(lián)仍然不無風(fēng)險。相關(guān)的并行PFC整流器在三相系統(tǒng)中有兩個主要問題，如下所示：1）所有的模塊的電流共享2）產(chǎn)生的相位不同的并聯(lián)模塊的循環(huán)電流。已經(jīng)報道了許多方法以解決第一個問題。在所有的方法中，“自動主”（或稱為“民主的電流共享”）方法得到廣泛的普及，因為其簡單，易于擴(kuò)展的。然而，其局限性是互連參考總線之間需要的所有模塊直接電流調(diào)節(jié)。至于循環(huán)電流而言，有許多文獻(xiàn)致力于研究其抑制方案。在文獻(xiàn)7中，一個三相隔離變壓器是用來阻止分離每個PFC模塊的輸入的循環(huán)電流的通路。但是，變壓器的笨重，尤其是對于高功率應(yīng)用。在文獻(xiàn)8，循環(huán)路徑的阻抗間增加電抗器。此方法用于高頻循

4、環(huán)電流是有效的。對于在低的頻率，例如兩個不同的模塊的拍頻電流，該反應(yīng)器可以是太笨重。在文獻(xiàn)9和10，所有模塊之中，將它們作為一個單一轉(zhuǎn)換器的部分插入同步控制。然而，這種方法需要一些高頻的通信信號，是容易受噪聲污染的，并且轉(zhuǎn)換器的安裝不靈活。第11文獻(xiàn)提出一個非零向量空間矢量調(diào)制（SVM），以避免循環(huán)電流當(dāng)并聯(lián)PFC整流器間斷SVM控制的可能性。它雖然不連續(xù)，但支持向量有效地降低了開關(guān)損耗，不連續(xù)的6個區(qū)域的邊界處的平均占空比給了循環(huán)電流一個機(jī)會，因為在連續(xù)的區(qū)域中使用兩種類型的零矢量。然而，非零矢量SVM的方法給出了一個較大的電流紋波。第13文獻(xiàn)，在零矢量的占空比的控制變量引入并聯(lián)PFC整流器

5、的平均模型的基礎(chǔ)上。通過控制零矢量的持續(xù)時間與一階的電流控制回路，循環(huán)的電流可以被極大地抑制。為了改善瞬態(tài)表現(xiàn)所提出的方法，文章14提出的連續(xù)和離散變結(jié)構(gòu)控制方法，這是基于DQ變換的信息。 11，13，14，以DSP或微處理器為基準(zhǔn)計算，向量選擇，或轉(zhuǎn)換信號，這可能會增加電路的復(fù)雜性和成本，在控制電路時，通常需要使用。圖1.三相PFC整流器。本文提出了一個新的基于OCC并聯(lián)方法，以便讓每個模塊的輸入電流，根據(jù)其額定功率和控制的所有模塊之中循環(huán)電流，同時保持低開關(guān)損耗。任務(wù)1），用于互連線電流共享在所有的模塊共享一個直流信號。任務(wù)2），用于向量操作和雙極性工作模式之間的交替，也就是說，當(dāng)兩個并聯(lián)

6、三相OCC PFC整流器向量中的操作模式時，循環(huán)電流在預(yù)先設(shè)定的極限之內(nèi)，一旦循環(huán)電流超過極限時，OCC與雙極操作模式不工作，直到流通電流下降到低于極限。預(yù)設(shè)的限制是這樣選擇的循環(huán)電流是可以接受的，整流器大部分時間是向量中的操作模式。通過這種方式，保留矢量操作的低開關(guān)損耗的優(yōu)點。這種方法的實施，涉及除了原始OCC控制器之外的每個模塊輕微OCC控制器之間的通信。由于這種方法只需要在所有的模塊之間共享一個DC信號，通信負(fù)擔(dān)是最小的，而且并聯(lián)模塊的安裝是靈活的。 OCC并聯(lián)的控制方法，并不一定需要DSP，微處理器，或乘法器計算作參考，同時保持恒定的開關(guān)頻率和簡單的電路的優(yōu)點。在本文中，簡要在第二節(jié)回

7、顧了OCC PFC與向量運(yùn)算和雙極操作，然后，在第三節(jié)對PFC整流器并聯(lián)運(yùn)行進(jìn)行了分析，第四節(jié)介紹了擬議的PFC整流器的控制核心，和并聯(lián)的性能，第五節(jié)中進(jìn)行了實驗驗證;在第六節(jié)給出結(jié)論。二、三相OCC PFC整流器圖1示出了典型的六開關(guān)PFC整流器橋拓?fù)洹＜僭O(shè)各臂的上部和下部的開關(guān)操作互補(bǔ)的開關(guān)頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于行頻，橋是相當(dāng)于三個電壓控制電壓源，圖2顯示了其等效平均模型。來自15中的輸入和輸出的關(guān)系如下：其中Dan，Dbn和Dcn分別是San，Sbn，Scn的占空比。由于上述（1）的矩陣是奇異的，沒有獨(dú)特的解決方案。 在OCC PFC與向量操作模式和雙極性工作模式下，可以實現(xiàn)如下。圖2. PFC的

8、平均模型圖3.單周期內(nèi)的波形圖4.等效雙Boost電路A. OCC PFC用向量操作模式向量操作模式，一個周期，如圖.3所示，可分為6個區(qū)域，根據(jù)各相電壓的零交叉點。在每個區(qū)域中，由兩個開關(guān)的主導(dǎo)，其電壓是相反的，另外兩個開關(guān)在整個區(qū)域中保持ON和OFF時，其他相的開關(guān)，在控制開關(guān)頻率。在這種方式中，六開關(guān)橋可解耦成并聯(lián)連接的雙升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。例如，在區(qū)域（0度60度），如圖所示.4，在整個地區(qū)中開關(guān)Sbn保持開通和SBP關(guān)斷，而開關(guān)Sap,San,Scp和Scn控制開關(guān)頻率。該電路可以被視為一個并聯(lián)連接的雙升壓轉(zhuǎn)換器,輸入電壓為ab和cb。 圖5.OCC PFC控制器采用矢量操作模式因此，在區(qū)

9、域1，讓Dbn = 1，設(shè)j= ReIj（j= A，B，C）代入（1）中，控制方程可以推導(dǎo)出：Vm是所產(chǎn)生的電壓反饋補(bǔ)償，RS是電流檢測電阻，Re是模擬的電阻。從（2）中看，只有兩相電流需要用于產(chǎn)生在每個區(qū)域的兩個獨(dú)立的占空比。第三電流從其他兩個計算，因為ia+ib+ic= 0在一個單獨(dú)的PFC整流器中總是滿足的。沒有在高頻率切換在每個區(qū)域的電流相位。因此，開關(guān)損耗也大大降低。同樣等效電路和控制其他區(qū)域的關(guān)鍵方程，可以推導(dǎo)出由相同的裝置、相同區(qū)域的控制電路。其由一個電流選擇電路和一個驅(qū)動信號分配器指定根據(jù)的選擇信號，如圖.5所示，可以實現(xiàn)所有的控制方程。B. OCC PFC雙極性工作模式在雙極

10、模式操作，由控制的主要方程，推導(dǎo)出其中Rs是電流檢測電阻。 Vm是反饋補(bǔ)償器的電壓：Vm = Rs*（E / Re）K1，其中Re是仿真的電阻。為方便起見，K1被選擇為0.5。在每個開關(guān)周期中，所有的三相電流可以感測到開關(guān)的開通和關(guān)斷，因此，它們緊緊跟隨其相應(yīng)的電壓。它不需要滿足ia+ib+ic= 0的條件，雖然它在一個單獨(dú)的PFC整流器自動滿足。由于所有在開關(guān)頻率上的開關(guān)操作，開關(guān)損耗高于OCC PFC整流器與矢量運(yùn)算。 OCC PFC控制器與雙極性工作模式如圖. 6。圖6.OCC PFC控制器與雙極操作模式三、 OCC PFC并聯(lián)運(yùn)行在并聯(lián)中，兩個或兩個以上的整流器是聯(lián)系在一起的分擔(dān)負(fù)載。

11、在本文中，為了方便，系統(tǒng)將討論兩個的情況。圖.7示出了兩個PFC整流器在輸入端和輸出端直接連接。以下是有關(guān)并聯(lián)的兩個方面:A. 電流并聯(lián)交流輸入電流根據(jù)每個模塊的額定功率,在整流器并聯(lián)時，有時會產(chǎn)生不同的額定功率,這是可取的。從（2）中，可以得到下面的公式：，其中j和ij是相電壓和電流。圖7.兩個PFC整流器并聯(lián)運(yùn)行圖8. Vm并聯(lián)的方法可以觀察到（5），ij僅被Rs影響， Vm為每個整流器提供相同的電壓，因為在這樣的配置中共享j和E。沒有任何非線性或計算值，這使得它們之間的能量分配非常簡單和可靠的。通過這種方式，當(dāng)并聯(lián)時，與Rs值不同的模塊，共享總負(fù)載的不均勻部分。由式（5）中的任何模塊，輸

12、入功率可以推導(dǎo)出其中，Vl-l，rms是輸入線到線電壓的有效值。根據(jù)上述分析，在兩個模塊之間共享一個共同的直流基準(zhǔn)電壓的信號Vm。圖.8示出了共用的Vm，其中Avi(s)(i= 1，2）是電壓環(huán)路補(bǔ)償器。通過在一個共陰極配置的兩個二極管輸出的連接的電壓補(bǔ)償器Avi(s)。選擇較大的輸出電壓Vm的，它被分配到控制器的脈沖寬度調(diào)制信號的生成。B.循環(huán)電流控制圖9.等效電路的并聯(lián)式PFC圖10.等效電路的循環(huán)電流由于直接連接的兩個整流器，循環(huán)電流在它們之間流動是可能的。當(dāng)兩個相同的單元并聯(lián)，不受管制的循環(huán)電流可能導(dǎo)致其輸入電流將處于不平衡狀態(tài)，從而降低其性能，甚至損害組件。為了研究循環(huán)電流的原因，兩

13、個并聯(lián)的整流器可以表示的等效電路包含雙并聯(lián)Boost電路，如圖所示. 9。雖然等效電路是在區(qū)域I中，但所有其他區(qū)域，也可以進(jìn)行類似的分析。在圖9，Rc1Rc4代表串聯(lián)電阻，RL為負(fù)載（RC1RC4«RL）。在OCC中的矢量操作模式，Sbn總是ON和Sbp總是為OFF。每個開關(guān)周期開始時， San和Scn在同一時間轉(zhuǎn)向ON。然后，一個San或Scn將先關(guān)閉。接著，將另一個關(guān)閉，最后，電流通過續(xù)流二極管和電容器Lb的并聯(lián)連接，這兩個整流器的電流之間的交聯(lián)成為了可能。例如，San1被關(guān)閉時，ia1“看到”的兩條路徑回流到源如下：無論是通過C1和Lb1的回來，或者通過RC1，RC3，C2，和

14、Lb2的回來（如圖中的虛線圖9中）。其他的電流，如ia2，ic1，ic2，也可以類似分析。其結(jié)果是，ib1和ib2可能不相等，這導(dǎo)致了一種不平衡PFC1和PFC2之間（圖7所示）的一種不平衡。這可以被看作是一個循環(huán)流動的電流通過這兩個界面，如在圖.10中所示的等效電路，其中iz是等效的兩個整流器之間的循環(huán)電流。自PFC1和PFC2不同步起，他們可能不會同時進(jìn)入下一個區(qū)域。此外，兩個相鄰的區(qū)域的開關(guān)相電流有不同的切換策略，如I區(qū)的ib和區(qū)的ia是不同的。因此，iz可能有一個階躍變化，在每個區(qū)域的交叉點，這是關(guān)系到前一個區(qū)域中的循環(huán)電流和不同步的跨區(qū)域動作。雖然在圖.10中的循環(huán)回路沒有電源，但是

15、這將使iz在一階系統(tǒng)有一個初始值和波動。假設(shè)Rc1Rc4上的電壓降遠(yuǎn)小于E1或E2，E1E2。前提是兩個相同的PFC整流器并聯(lián)，（3）保持等于兩個整流器的Re相等，E,Rs,共享Vm的是相同的。因此，在區(qū)域一，ia1、ia2、ic1、ic2均受同一控制方程和跟隨輸入電壓a的C的控制。這種不平衡只能發(fā)生在ib1和ib2。滿足下面的公式（<i>代表的是i在一個開關(guān)周期內(nèi)的平均值）。研究平均模型圖. 9得出在下面的等式。從而（12） - （15）得到下面的表達(dá)式：（16）右側(cè)的第一部分與兩個整流器的直流母線電壓的差異有關(guān)，第二部分與連接電阻的差異有關(guān)。連接電阻Rc1Rc4可視為相等，因此

16、，（16）可以簡化為E2和E1的電壓通過相應(yīng)的電壓反饋環(huán)路來控制，它通常包含一個PI補(bǔ)償器的時間常數(shù)，大約兩到五個線周期。然而，在循環(huán)電流在任何區(qū)域（一個周期的六分之一）可以是不同的，從而以使E1 - E2的突然變化在交叉區(qū)域的點，而電壓回饋系統(tǒng)可以不響應(yīng)這樣一個快速變化。此外，由于Rc2值較小，E1或E2的變化絕對值相對較小，因此，它很難被高比例的電壓傳感器檢測到。因此，只是共享Vm的兩個整流器之間，不能有效地防止循環(huán)電流。從圖.10，iz的時域響應(yīng)，可以得到如下：時間常數(shù)=（Lb1+Lb2）/（Rc2+Rc4），在每個區(qū)域的交叉點,izo是iz的初始值。一般，RC14是非常小的，這使得的時

17、間間隔遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于一個周期的六分之一。如果izo可以減少在該地區(qū)的過境點，iz將在該地區(qū)衰減。因此，總的循環(huán)電流可以被限制。在上述分析中，可以控制循環(huán)電流的雙極性工作，在一個小的時間間隔里，由于雙極性工作，消除了自然循環(huán)電流，可以圍繞該區(qū)域交叉點開關(guān)矢量運(yùn)算。通過這種方式，有效地降低izo等iz。當(dāng)iz衰減到低于預(yù)設(shè)的限制時，系統(tǒng)會切換回矢量操作。該的方法中，系統(tǒng)設(shè)有一個小的循環(huán)電流，以及低開關(guān)損耗。四、OCC控制器為并行PFC操作實施基于上述分析，提出一種新的方法OCC PFC整流器并聯(lián)運(yùn)行。圖.11示出了有能力為每個整流器并聯(lián)的新OCC控制器的原理圖。用電壓反饋信號Vm的共享來實現(xiàn)PI補(bǔ)償Av

18、(s)，通過插入一個二極管使OCC PFC整流器個別的陰極端子連接在一起。電壓值最高的一個Vm模塊將自動作為主模塊。為了識別的循環(huán)電流，三個電流傳感器代替正常的兩循環(huán)電流時，第三相電流存在的情況下，其不能通過其他兩個的總和獲得。循環(huán)電流的計算方法是通過計算ia，ib，ic求得的。補(bǔ)償這個信號是由一個P補(bǔ)償Gz（s）和相對于預(yù)先設(shè)定的基準(zhǔn)信號Vref _z組成的。大部分的時間，該控制器是在載體中的操作模式。只有當(dāng)循環(huán)電流的幅值大于Vref _z時，比較器的輸出變高，控制器切換到雙極性工作模式。經(jīng)過很短的時間，當(dāng)iz減小Vref _z以下，控制器將再次返回矢量運(yùn)算模式。此功能的實現(xiàn)是由一些簡單的附

19、加組件，包括運(yùn)算放大器，比較器和觸發(fā)器組成的原始OCC控制器。在每個區(qū)域相電流的最大絕對值被選擇為it。然后，在兩個增益后，它與積分信號相比較，然后觸發(fā)一個觸發(fā)器。雙極性工作，分享在原始OCC核心的矢量運(yùn)算的積分器和時鐘。此階段的驅(qū)動信號的Qt由此產(chǎn)生，所以只有當(dāng)So比較高的條件下才是有效的。在這種情況下，此階段的控制只有切換到Qt，而其他兩個保持不變。圖11.平行OCC PFC控制器。圖12. 5千瓦平行PFC整流器的實驗室樣機(jī)比較圖. 11與圖.5和圖.6，可以看出，只有少數(shù)的線性和邏輯元件被添加到原來的OCC的控制核心。也沒有必要為一個乘法器或DSP執(zhí)行計算。因此，電路仍然是簡單和低成本

20、的。這是PFC整流器單獨(dú)使用或與其他單位靈活的并聯(lián)獲得的。五、實驗驗證如圖. 7所示，兩個實驗室的原型OCC PFC整流器各為2.5千瓦的建造和連接。一些重要的參數(shù)如下：開關(guān)頻率FS1 = 25.5 kHz，F(xiàn)S2 = 36.6 kHz，輸入電感= 1mH，RC1RC40.05，負(fù)載RL = 32， E = 400 V?？傒敵龉β适荘o= 5kW。圖.12示出的OCC整流器并聯(lián)的內(nèi)部圖片。圖13（a）和（b）顯示實驗相電流為兩個PFC1和PFC2，其有一個相等的Rs值。首先，在圖.13（a）中，兩個整流器只共享一個普通的Vm的信號，因此，不存在循環(huán)電流的防止能力。圖13. （a）相電壓（200

21、 V /格）和電流（10 A /格） 沒有提出的控制方法。 （b）相電壓（200 V /格）和電流（10 A /格） 提出的控制方法。圖14. （a）沒有提出的控制方法的循環(huán)電流（10 A /格）。 （b）提出的控制方法的循環(huán)電流（10 A /格）由于ia1和ia2在開關(guān)頻率有兩個區(qū)域內(nèi)是無開關(guān)的，所以在一個周期的峰值和谷部之間ia1和ia2之間相電流有差異。其次，在提出的循環(huán)電流控制電路中，循環(huán)電流被大大地降低了，如圖.13（b）所示，其中的兩個單元的電流重疊密切。區(qū)域交叉點的小尖峰表明循環(huán)電流衰減模式時，所提出的方法是切換系統(tǒng)得到有效的工作，從向量運(yùn)算變成雙極性工作，在很短的時間，他們有一

22、點總諧波失真（THD）輸入電流。這個過程中，對各相電流的零交叉點附近的失真所造成的矢量和雙極性模式之間的切換是有影響的。輸入電流的THD低于5。圖15.向量之間的交替和雙極操作 圖16.Va（200 V /格）和ia1和ia2（10 A /格） 提出的控制不同功率等級模塊的方法在相同的實驗條件下，圖. 13和圖.14分別表示在五倍增益后PFC1和PFC2的循環(huán)電流iz1、 iz2。iz1和i2的下降斜坡表明，在每個區(qū)域循環(huán)電流都衰減。雖然理論上時間常數(shù)為0.02 s，實際的回路電阻大于Rc2的RC4，這使得時間常數(shù)較小，其結(jié)果是，在每個區(qū)域的iz的下降斜率變大。圖.14（a）和（b）分別表示帶

23、有和不帶有所提出的控制方法的循環(huán)電流?？梢钥闯觯c圖.14（a）相比，循環(huán)電流的最大振幅減小到了50。圖.15示出了電流波形的A相和其相應(yīng)的示于圖的上部開關(guān)Sap的驅(qū)動信號。在該區(qū)域中，當(dāng)A相電流為最大絕對值時，操作切換矢量模式和雙極性模式，如圖中的垂直虛線和箭頭所示。當(dāng)循環(huán)電流大于預(yù)設(shè)的限制時，雙極性工作工作時間較短，向量操作的工作時間較多。圖.16顯示兩個整流器不同的Rs。通過讓Rs2= 1.5Rs2，使PFC1輸入電流1.5倍于PFC2。通過這種手段，并聯(lián)OCC可以很容易地根據(jù)其額定功率為每個模塊分發(fā)輸入電流，以及限制循環(huán)電流。同樣，垂直虛線和箭頭示出矢量模式和雙極模式之間的切換的操作。

24、在此之間并聯(lián)運(yùn)行的不均勻功率等級模塊的開關(guān)損耗仍保持在較低水平。六、結(jié)論隨著當(dāng)前需求的增加，并聯(lián)PFC整流器提供了一個有吸引力的替代品，以一個單一的PFC整流器擁有更高的功率輸出能力。 OCC PFC整流器聞名的優(yōu)點，如簡單的電路，低開關(guān)損耗，以及強(qiáng)勁的性能。然而，如果簡單地并聯(lián)連接，兩個整流器的循環(huán)電流在每個區(qū)域?qū)⒕哂凶畲蠼^對電流值的階段。研究表明，在循環(huán)回路是比較大的時間常數(shù)的一階系統(tǒng)。因此，如果循環(huán)電流被限制在開始點，即，在該區(qū)域交叉點，將對整個區(qū)域來說相對較小。基于這種分析，本文提出了一種新的并聯(lián)方法。通過允許OCC核心切換到雙極性工作時被檢測到的高循環(huán)電流，可有效地控制循環(huán)電流，而系

25、統(tǒng)會保留矢量操作的低開關(guān)損耗的優(yōu)點。另外，循環(huán)電流控制的原始OCC核心中函數(shù)時，控制器仍然是簡單的和低成本的。通過采用這種并聯(lián)的方法，可以避免參考計算的復(fù)雜性。只有一個共同的直流信號的N+1 PFC模塊，為用戶提供了安裝的極大靈活性。這種控制方法也適用于單相的PFC整流器并聯(lián)運(yùn)行。參考1 S.羅，Z.葉，R.林，和F.C.李，分類和評估電源模塊并聯(lián)方法。 PESC，南卡羅來納查爾斯頓，SC，1999年,06月27日-07月01日，第二卷，第901-908頁。2 MM約萬諾維奇，D.E.烏鴉，F(xiàn).Y.寮，“一種新型的，低成本的實施” “并聯(lián)變流器模塊的負(fù)載電流共享，”IEEE。電力電子，第一卷,

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