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探讨一种降低AC/DC应用中母线电容的方法
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2020/04/18 13:24:46
1
boy59[版主]
电源币:400 | 积分:113 主题帖:72 | 回复帖:329
LV9
军长

  在开关电源中可以通过提高开关频率来降低电感、电容等储能元件的体积从而得到小体积高功率密度电源,但在AC/DC应用中母线电容的频率是固定的2倍工频因而无法通过提高开关频率来降低其体积,那么有什么办法能降母线电容的?

                                         图1 整流桥滤波电路

2020/04/18 16:20:04
2
lingyan[实习版主]
电源币:1561 | 积分:29 主题帖:19 | 回复帖:1280
LV8
师长
该电容的容量应该和AC/DC的输出电流有关吧?输出电流越大,电容容量越大,减小输出电流,就能选择小一点容量的电容
2020/04/18 17:12:19
3
boy59[版主]
电源币:400 | 积分:113 主题帖:72 | 回复帖:329
LV9
军长
需要假定输出电流恒定(或输出功率恒定),比如一电路按常规设计需要母线电容100uF,采用新方法后只需要10uF电容甚至1uF电容就能正常工作。
2020/04/20 14:38:16
4
boy59[版主]
电源币:400 | 积分:113 主题帖:72 | 回复帖:329
LV9
军长

对图1电路(恒阻近似)进行分析,母线电容的波形及三个公式如下:

恒阻电容放电

                             2 整流滤波电路(包络检波电路)波形及公式

根据公式恒功率输出时平均电压不能变、工频频率不能变,母线电容跟电压纹波△V成反比(Doff正比),减小母线电容必然引起△V的增大。当母线电压的△V太大时电源不能很好的工作(加前馈可否解决?),已知目前有三种方法解决方案:

1Boot+Buck级联,Buck作为后级只能降压如果后级采用Buck-Boost会如何?

2、双向变换器1Active Capacitor Converter ),既能吸收又能释放能量,可以将母线纹波转移到变换器内部,比如消除PFC工频纹波的应用。

3、双向变换器2Active Inductor Converter),用电感替代电容储能。

因为母线电容小了纹波大了电解电容不再是最佳选择所以产生了无电解方案,在降母线电容的同时是否会造成其它元件比如电感的增大?哪一种方案才能达到极致?

2020/06/21 15:13:27
5
boy59[版主]
电源币:400 | 积分:113 主题帖:72 | 回复帖:329
LV9
军长

对上述解决方案2双向变换器1Active Capacitor Converter )做了仿真对比,电路框图如下:

电路原理图

                                     2-1 PFC+主动式电容器电路框图

上图相当于两个独立电路——PFC和双向变换器,其中双向变换器采用倍压、半压控制方法既Vbus=2*Vcap
2020/06/21 15:14:52
6
boy59[版主]
电源币:400 | 积分:113 主题帖:72 | 回复帖:329
LV9
军长

首先设定输入为50Hz220VAC工频电,PFC的输出为400V,负载400欧(约400W),输出纹波小于40V。通常的PFC电路需要输出母线电容90uF左右,见下图仿真结果:

一般形式

                                      2-2 单级PFC电流、电压波形

2-2最上面的图是将母线电压局部放大后的结果。

2020/06/21 15:18:02
7
boy59[版主]
电源币:400 | 积分:113 主题帖:72 | 回复帖:329
LV9
军长

其次仿真接入主动式电容的效果,如下图:

主动式电容波形

                     2-3 接入主动式电容后的电流、电压波形

同样达到纹波不大于40V的效果,上述电路中所采用的电容分别为Cbus=20uFCap=20uF(储能电容),总电容容量40uF,小于单级PFC90uF实现了减小母线电容的目的。

2020/06/22 16:03:56
8
st.you
电源币:105 | 积分:30 主题帖:29 | 回复帖:1587
LV9
军长
那么多电路,划得来吗?
2020/06/22 17:01:41
9
boy59[版主]
电源币:400 | 积分:113 主题帖:72 | 回复帖:329
LV9
军长
这里的控制电路没做好,理想的控制电路可以将母线电容降的更低同时可以消除母线Vbus上的工频纹波。
2020/06/23 21:37:55
10
boy59[版主]
电源币:400 | 积分:113 主题帖:72 | 回复帖:329
LV9
军长

2-3是基于PID控制的结果,另外一种利用基尔霍夫电流定律(KCL)的控制方法更理想,

先看效果:

节点电流控制 

                           3-1 节点电流控制法效果——工频纹波20V

上左图中电容总容量为10+30=40uF保持不变,电感的取值跟开关频率有关,右图的仿真结果相对于之前图2-3母线工频波动降低了一半(理论上可以完全消除)。

而达到相同工频纹波,普通单级PFC需要的母线电容约为180uF,见下图

普通PFC180 

                                3-2 普通PFC工频纹波20V

对比上面两个结果都达到工频纹波20V需要的母线电容分别为40uF180uF,这里的节点电流控制法中有一个环节没处理好导致工频纹波依然存在同时也无法推测出极限电容是多少。接下来准备对这种节点电流控制法进行展开分析,以期通过改进完善这种控制方式。

2020/06/23 22:35:40
11
boy59[版主]
电源币:400 | 积分:113 主题帖:72 | 回复帖:329
LV9
军长

节点电流原理如下图:

节点电流原理 

                                              3-3 节点电流法原理

Vbus这个节点上,从PFC输出的电流I1、流向负载的电流Io、流向双向变换器的电流I2之和等于零。如果控制负载电流Io为恒流则Vbus节点上的电压为恒压无工频纹波,公式变换得I2=I1-Io,从而得出双向变化器的电流。

 然而电流I1、I2是脉动量,需要求出平均量才能进行控制操作。

i1i2脉动电流 

                                          3-4 脉动的I1I2电流

求平均电流通过RC低通滤波或者用CCM电感电流乘占空比,不过占空比也是脉动量仍需接RC低通滤波转化成模拟量。使用RC低通滤波器会带来相位滞后的问题,目前这个电路达不到理想状态主要就是这个原因造成的。当下需要解决的问题就是如何求脉动电流的平均值(要求无相位延迟、电路为变频模式)。

2020/06/25 09:29:32
12
boy59[版主]
电源币:400 | 积分:113 主题帖:72 | 回复帖:329
LV9
军长

采用另一种方法在Io处增加电流环,通过PI补偿来纠正RC低通滤波器的相位延迟及电路中的其它误差,结果如下:

Io电流环 

                                           3-5 增加负载Io电流环后的效果

电容总容量仍是10+30=40uF,因为要避开工频100Hz环路较难做快,目前仿真结果是母线Vbus上的纹波在6V左右,而达到相同纹波水平单级PFC需要的母线电容在500uF以上。

2020/06/25 12:53:34
13
boy59[版主]
电源币:400 | 积分:113 主题帖:72 | 回复帖:329
LV9
军长

将母线电容进一步降低至5+20uF,并同母线电容为20uF的单级PFC进行对比:

对比1 

                                  3-6 相同20uF母线电容两种电路波形对比

将其中单级PFC母线电压波形分解成两部分:

分解 

                                      3-7 单级PFC母线电压分解

分解后的波形跟主动式电容的波形相似(图3-6右),估计也可以理解成有源滤波。从波形上看主动式电容依然有下降的空间,但电容越小波动越大同时占空比、频率的变化也越大在实际控制中较难处理。

2020/06/27 12:37:56
17
boy59[版主]
电源币:400 | 积分:113 主题帖:72 | 回复帖:329
LV9
军长

上图是2014年google举办的“小盒子挑战赛”(Little Box Challenge)中采用的有源滤波电路,详见链接https://zhuanlan.zhihu.com/p/34119739

2020/06/25 18:12:02
14
boy59[版主]
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LV9
军长

对第一种Boost+Buck级联降母线电容的方式也做了仿真对比,电路如下:

PFC+BUCK电路 

                                             4-1 PFC+Buck级联电路

电路中母线电容Cbus=20uF、输出电压Vout=200V、输出负载100Ω、输出功率Pout=400W,用作对比这里保持输出功率一致就可以,输出电压可以将Buck换成正激通过变压器来调节。

这种级联方式的控制比双向控制(主动式电容)要容易一些,这里将电感加大以方便查看电流波形:

PFC+BUCK波形 

                                             4-2 PFC+Buck级联波形

级联的方式容易实现,母线电容也容易进一步减小,但级联这种方式母线电压峰值高并且电容越小峰值电压越高,容量小但耐压高这对降母线电容的体积有多大帮助?是否有最佳匹配值?

2020/06/26 07:08:46
15
boy59[版主]
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LV9
军长

由节点电流控制法可以扩展到逆变控制或容性、感性负载上。比如要实现一个220VAC逆变器一般用电压环控制即可,但如果负载存在大的容性、感性负载电压环的速度就跟不上了(特别是高频逆变),这时可以利用电流环来控制而节点电流法在这里就可以发挥作用了。

节点电流逆变器原理图 

                                          5-1 电流节点法逆变电路

上图是400VDC-220VAC逆变电路,输出总电流I1、无功电流I2,负载电流Io(负载可以放到后面,此处做检测电流Itest),节点处满足Io+I2=I1

通常逆变器负载为电阻加一小滤波电容,因为电容小产生的无功电流小对输出电压的影响也小,见下图。

逆变小负载电容 

                                             5-2 逆变器并联小滤波电容

如果负载并联有大电容或者电容、电感混合会产生大的无功功率导致输入电流相位偏移,此时用电压环去控制电流环是比较吃力的,而采用节点电流法可以直接得到被控电流(通过加减运算),控制简单动态特性也会很好,见下图仿真结果。

逆变任意负载 

                                          5-3 逆变器接RCL混合负载

2020/06/26 10:02:29
16
boy59[版主]
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LV9
军长

接下来验证其动态特性,依然采用图5-1的电路负载为RLC的组合负载,要注意的一点LC参数所形成的谐振频率应避开工作频率范围。这里将参考信号Vref换成由三角波+VCO调制而成的啁啾波,结果如下:

啁啾波 

                                                 5-4 功率级啁啾波

从仿真结果看任意负载、任意频率下这个逆变电路都能很好的工作(输出电压跟随参考信号),由于负载并有大电容、大电感等储能元件电路中存在着大量的无功功率(上图最下节点电流),但当采用节点电流法时只需要一个PI补偿器就能轻松解决上述控制问题,这样就可以实现功率级波形发生器了(相对于信号发生器)。

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