关于 400HZ 电网输入的整流器，你觉得难点在哪?

关键字：三电平整流器，中频，400HZ，电流相位补偿

 

这是一个 AC 110 ~ 480V/400Hz 输入，10KW 的三电平整流器仿真模型。文章的起点是与一位朋友的讨论，他想把 AC110~480V/400HZ 的 PFC 实现，这种输入能支持超宽范围的整流器可能在某些行业会很受欢迎。

 

好的，我们先来看看 450VAC 的输入，乘以 1.414 是整流后的电压 678V，那么母线电压留点余量就得在 700V 以上，这样开关管就得选择 900V 或 1200V 得 SIC 器件。

 

1，开关频率：为什么是 SIC 器件，我的考虑是 400HZ 的电网环境，一个工频周期是 2.5ms，如果开关频率较低，那么你很难把电流波形控制的好。所以我这里选择的是 100KHz，一个工频周期是 125 个高频开关周期，看起来很多，其实也很少。对比传统 65KHZ 的开关频率应对 50HZ 的输入频率，其实是有 650 个高频开关周期。这就是一个挑战点，当然你们可以说开关频率继续提，搞起来不行么。当然行，就是硬开关下开关损耗忒大了。

 

(图一 400HZ 环境下 PWM 载波与调制波)

 

2，器件耐压：直接用 1200V 的 SIC 器件，还是用三电平技术这是一个选择。比如这里母线 700V，如果是使用三电平技术，可以用 500V 的管子，这里可以选择 650V 带 SIC 二极管的快速 IGBT。

 

（图二 Vincotech 公司的三电平 BOOST 介绍资料）

 

3，电感体积：三电平技术可以把电感的电流纹波降低一倍，电感体积可比两电平降低 1/4。

 

（图三 Vincotech 公司的三电平 BOOST 介绍资料）

 

4，从单个工频周期内载波数量的考虑，三电平可以在把电感纹波电流从开关频率上再提升一倍继而等效为 200KHZ，这样载波数量就提升到了 250 个。如果我在加上两个三电平交错，这样就能弥补载波数量的问题。可见下图四是稳态时的电流波形，可见通过三电平和交错技术在 400HZ 的输入频率下，也能实现非常低的 ITHD，控制的效果非常不错。

 

(图四 使用两个交错三电平进一步提升开关频率)

 

5，功率级结构为两组飞跨电容三电平交错并联，低频管用二极管整流。分别采样 AC 输入，DC 输出，两个电感电流。

 

(图五 拓扑功率级)

 

 6，关于飞跨电容三电平的好处前面已经说了，这里说一个坏处：就是飞跨电容的电压如果没有充到 VO/2，这个时候你开机，就肯定炸管。而且飞跨电容没有额外的充电路径，仅能在 PWM 发波后进行充电，所以需要额外的措施来对飞跨电容在初始状态充电。

 

华为的一个关于飞跨电容的专利里面就写了这样一句话："图 1 为一种常用的三电平飞跨电容 boost 电路，在该电路初始上电时，由于飞跨电容 的电压为 0，所以 T2 将承受整个输入电压 Vin，一般多电平 boost 电路中的各开关管耐压均按 0.5 母线电压(Vbus)选取，当 Vin>0.5Vbus，T2 可能过压(即超过 0.5Vbus)击穿。当存 在多路 boost 输出侧并联(由多路多电平 boost 电路并联组成)同一母线时，若其他路已 上电，那么母线上会建立电压，若存在某路多电平 boost 电路还未上电，那么该路多电平 boost 电路的飞跨电容电压和母线的输入电压均为 0，此时 D4 则将承受整个母线电压 Vbus， 这种情况下可能导致 D4 过压击穿。来源：华为技术有限公司 发明专利：一种升压功率变换电路  发明人 於波 占金祥 李培永 傅电波 "

 

(图六 华为三电平 BOOST 专利原理图)

 

从解决飞跨电容在初始状态的电压来看，不难发现其实是利用了 D6 对低端电容充电来完成。同时当输入电压快速改变时，也能通过 D6 来快速响应，不必通过调整两个开关管的 PWM 差来调整飞跨电容的电压。更早的往前看，日本三菱电机也申请了飞跨电容负极增加二极管的专利，并且对电流路径和原理做了全面的说明，可以说是挡住了很多人的想法。

 


(图七 日本三菱电机飞跨电容专利)

 

是的，我在这里参考了三菱电机的这份专利。通过增加两个二极管后，能将飞跨电容的电压控制在 VO/2 上，解决了飞跨电容三电平的最大问题，运行效果可见图八所示。

 

（图八 满负载起机时飞跨电容和开关电压）

 

7，锁相环

使用了 400HZ 的 SOGI 锁相环抓电网角度，并取锁相环的输出用来做电流环跟随的指令，主要是考虑在电网输入电压波形比较差时还能保证较好的电流 iTHD。另外锁相环锁相后，还能用于判断 AC 过零点，这样对 PWM 的驱动状态机可靠性很有帮助。单相 SOGI 锁相环结构和运行效果可见图九所示：

 

（图九 应用于 400HZ 输入的锁相环）

 

8，控制方法

使用平均电流双闭环控制，如同 UC3854，见图十。

 

（图十 UC3854 控制的 PFC 原理图）

 

电流内环，见图十一：

 

（图十一  数字控制的电流内环）

 

电压环，见图十二：

 

（图十二  数字控制的电压环） 

 

关于平均电流模式的环路设计可以参考：《平均电流模式控制的 CCM PFC Part1》和《平均电流模式控制的 CCM PFC Part2》。

 

由于范围太宽，根据输入电压来限制电感电流最大值的线性降额策略由于时间有限还未加入，所以我直接在电流指令上做了限值，从下图前面几个波形可以看到，电流内环控制波形可见图十三：

 

（图十三 电流内环运行情况）

 

控制部分使用 C 代码实现，框图见图十四：

 

（图十四  控制实现）

 

9，PWM 调制：飞跨电容三电平使用载波移相来实现 PWM 调制，使用两个载波，其中一路滞后 180°，再用一个调制波来切割产生占空比，可见图十五所示，来源于参考文档 1。

 

（图十五 移相载波 PWM 调制）

 

但是因为不同于 DCDC 应用，PFC 应用上还要根据 AC 的相位来进行 PWM 切换，所以需要根据 AC 波形来进行调整。为了简化控制逻辑，我没有开启同步整流功能，续流阶段仅用体二极管工作，未给驱动信号，实现可见图十六：

 

（图十六 移相载波 PWM 调制输出）

 

10，400V/400HZ 输入，负载 10KW，运行。图十七是输出电压，图 18 是输入电压和电流。

 

（图十七 输出电压）

 

(图十八 输入电压和电流)

 

11，Ending

小结：

本文介绍了一种关于 400HZ 的整流器实现方法，主要思想是利用三电平来提升频率来解决开关周期数量较少的问题，还通过对电流内环的电流指令相位补偿，解决了传统内外环控制方法在高电网频率下 iTHD 较差的问题。另外通过引入三菱电机的飞跨电容专利，在初始阶段就能把飞跨电容限制到 VO/2，解决了启机时的问题，提升了可靠性。

 

必须要说的是本人能力有限，如果上文中有错误的地方还请多多包涵，希望能把错误之处告诉我，共同进步，谢谢。

 

备注：本文中所有技术资料均来源于公开的文献，均能通过互联网查询得到，望周知！

 

回复关键字：PFC_400HZ_3L 获得仿真模型。

 

致谢：

真诚的感谢（ 李工（5 楼的米多）, 杨工（fuu），黄工（Javike），洋芋心(逆变小哥) ），感谢各位大佬在此篇文章和三电平技术上中给予我的帮助和支持。

 

参考文档：

1，Boost your1500V string inverter Flying-capacitorboost topologyfor unrivaledcost and performance Matthias Tauer, Technical Marketing ManagerVincotech GmbH,Unterhaching

2， 华为技术有限公司 发明专利：一种升压功率变换电路  发明人 於波 占金祥 李培永 傅电波

3，三菱电机发明专利：DC/DC 电力变换装置 专利权人：三菱电机株式会社 发明人：奥田达也 伊藤宽。

4，TI Application Report SPRABT3A–July 2013–Revised July 2017 
Software Phase Locked Loop Design Using C2000™Microcontrollers for Single Phase Grid Connected Inverter