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原创 【你还不知道吗】第九期·技术经验分享原创大赛开始啦!

三相维也纳(Vienna)主拓扑原理、控制及仿真

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westbrook
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LV8
副总工程师
  • 2018-5-31 09:35:57
最近这几年充电模块是热门,从最开始的7.5kW、10kW到后面的15kW、20kW,功率等级不断的提高。我个人觉得其实要想把充电模块做好是非常困难的一件事情,无耐由于各个厂家打价格战,导致现在模块卖成了白菜价。现在市场上的充电模块绝大部分都是三相输入,PFC部分也基本都是采用的三相无中线VIENNA结构的拓扑。虽然市场原因导致技术不值钱,但我们作为工程师,技术不能丢啊,借这次技术分享的机会,把三相VIENNA拓扑也说道说道,由于本人水平有限,也难免会有一些个人见解有误的地方,希望和大家一起探讨交流。我会从以下几个方面进行大致的说明:
(1)主电路组成;
(2)工作原理;
(3)控制模式;
(4)控制地的选择;
(5)母线均压原理;
(6)原理仿真;
(7)如何实现数字化

主拓扑.png
三相维也纳主功率拓扑结构

单周控制单相VIENNA整流器小信号建模与环路设计.pdf

2.01 MB, 下载次数: 22

基于SVPWM的Vienna整流器矢量控制策略的研究.pdf

794.04 KB, 下载次数: 23

基于SVPWM的VIENNA整流器研究.pdf

452.57 KB, 下载次数: 28

基于空间矢量调制的Vienna电路控制研究.pdf

1.57 MB, 下载次数: 20

空间矢量控制三相三电平VIENNA整流器的研究.pdf

1.91 MB, 下载次数: 24

三相三电平VIENNA整流器的研究.pdf

919 KB, 下载次数: 22

三相三电平Vienna整流器的研究与实现.pdf

1.57 MB, 下载次数: 29

westbrook
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LV8
副总工程师
  • 2018-5-31 09:36:38
 
主电路的组成
如图所示,是三相VIENNA PFC拓扑的主电路,大致如下:


主拓扑.png

1、三相二极管整流桥,使用超快恢复二极管或SiC二极管;
2、每相一个双向开关,每个双向开关由两个MOS管组成,利用了其固有的反并联体二极管,共用驱动信号,降低了控制和驱动的难度。相比其他组合方案,具有效率高、器件数量少的有点;
3、电流流过的半导体数量最少:以a相为例,双向开关Sa导通时,电流流过2个半导体器件,euo=0,桥臂中点被嵌位到PFC母线电容中点;双向开关关断时,电流流过1个二极管,iu>0时euo=400V, iu<0时euo=-400V,桥臂中点被嵌位到PFC正母线或负母线
current path for one arm.png


电路的工作方式靠控制Sa、Sb、Sc的通断,来控制PFC电感的充放电,由于PFC的PF值很接近1,在分析其工作原理时可以认为电感电流和输入电压同相,三相点平衡,并且各相差120度;
sunlingsunhaiqi
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实习版主
  • 2018-5-31 15:43:42
 
有没有考虑用肖特基代替快恢复
westbrook
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LV8
副总工程师
  • 2018-5-31 17:46:38
 
输出800V的母线电压,二极管需要用到1200V,肖特基在低压有优势,在高压还不知道有没有这么高的肖特基二极管,肯定是不行的。
sunlingsunhaiqi
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实习版主
  • 2018-6-7 17:02:35
 
有啊,很多的
westbrook
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副总工程师
  • 2018-6-7 20:29:12
 
那能不能告知一下是什么型号,我看看。
westbrook
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副总工程师
  • 2018-6-9 12:16:38
  • 倒数9
 
其实考虑整流二极管不仅要考虑耐压、通流能力,还有一个很重要的参数是抗浪涌冲击的能力。
我们在实际调试的过程中,也有选择用SiC二极管,但是SiC二极管的抗浪涌冲击电流的能力比较弱,所以一般都是采用超快恢复的高压二极管,比如Microsemi的ATP30DQ1200B系列。
我们知道,当模块在打浪涌的时候,电流都是走低阻抗的路径,一般前级的压敏电阻会泄流一部分电流,但是压敏电阻不会泄放所有的电流,依然会有大量的电流留到后级电流中。对于单相模块,一般的做法是在PFC电感前面增加一个二极管到PFC母线电容,这样,浪涌电流就会通过防雷二极管引入到PFC母线电容,保护了功率器件。但是对于三相PFC而言,PFC电容是一个五电平的波动,无法采用这种方法。否则,电路正常工作时就会有电流流过该二极管而导致Vienna无法工作。所以,大电流会通过电感、PFC Diode进入母线电容,这个时候就要求PFC Diode抗浪涌电流的能力比较强。
xcq1222
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初级工程师
  • 2018-6-9 12:39:35
  • 倒数8
 
其实考虑整流二极管不仅要考虑耐压、通流能力,还有一个很重要的参数是抗浪涌冲击的能力。
我们在实际调试的过程中,也有选择用SiC二极管,但是SiC二极管的抗浪涌冲击电流的能力比较弱,所以一般都是采用超快恢复的高压二极管,比如Microsemi的ATP30DQ1200B系列。
sunquanliang
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高级工程师
  • 2018-6-12 22:22:34
  • 倒数7
 
你的系统回路中的电感用多的?是mh还是uh级别的?如果mh级别的应该对于这个浪涌是吸收明显的。如果uh就呵呵了。需要考虑另外的方式了。
westbrook
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副总工程师
  • 2018-5-31 10:06:03
 
主电路的等效电路
1、三相三电平Boost整流器可以被认为是三个单相倍压Boost整流器的Y型并联;
2、三个高频Boost电感,采用CCM模式,减少开关电流应力和EMI噪声;
3、两个电解电容构成电容中点,提供了三电平运行的条件;
single-phase.png 公式.png

mains neutral.png
这个eun的表达式非常重要,推导看附件。

Formula derivation.docx

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hunter4051
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高级工程师
  • 2018-5-31 10:12:11
 
搬凳子学习,大功率的一直没有撸过,学习学习
westbrook
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副总工程师
  • 2018-5-31 10:39:12
 
主电路的开关状态:
三相交流电压波形如下,U、V、W各相差120度
vabc.png
三相交流电压波形

通过主电路可以看出,当每相的开关Sa、Sb、Sc导通时,U、V、W连接到电容的中点O,电感La、Lb、Lc通过Sa、Sb、Sc充电,每相的开关关断时,U、V、W连接到电容的正电平(电流为正时)后者负电平(电流为负时),电感通过D1-D6放电,以0~30度为例,ia、ic大于零,ib小于零。
每个桥臂中点有三种状态,三个桥臂就是3^3=27种状态,但不能同时为PPP和NNN状态,故共有25种开关状态;开关状态见附件!
开关状态.xlsx (38.39 KB, 下载次数: 54)
westbrook
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副总工程师
  • 2018-5-31 11:05:22
 
主电路的发波方式
主电路的工作状态与发波方案有比较大的关系,采用不同的发波方案会在每个周期产生不同的工作状态。
一般Vienna拓扑采用DSP数字控制,控制灵活,可移植性强。
(1)采用单路锯齿波载波调制电流环控制器输出的调制信号被馈送给锯齿波载波,保持恒定的开关频率;在0~30度这个扇区内,每个周期产生4个开关状态,由于波形不对称,电流波形的开关纹波的谐波比较大;采用该种方式进行调试,桥臂中点线电压的最大步进是2Ed(Ed为母线电压的一半,400V);
status.png

(2)采用相位相差180度的高频三角载波,当对应的输入电压是正半周的时候,采用Trg1,当对应的输入电压是负半周的时候采用Trg2,每个周期产生8个开关状态,与传统的控制方案产生4个开关状态相比,8个开关状态相当于频率翻倍,减小了输入电流的纹波,对THD指标有好处;
svpwm.PNG
上一张仿真的波形
Vm1.png


yubofeng1
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副总工程师
  • 2018-5-31 15:09:02
 
支持鼓掌,讲完这个再讲一下三相交错的PFC吧
westbrook
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副总工程师
  • 2018-6-1 09:39:10
 
上面我们提到,三相三电平PFC可以看作是三个单相的PFC,每个单相相当于由两个Boost电路组成,在交流电压的正负半周交替工作,正半周如下所示:
on-off.PNG

以a相为例,驱动信号为高时,则开关管Q1导通(交流电压的正半周)或者Q2导通(交流电压的负半周);驱动信号为低时,开关管Q1和Q2都关断。电压正半周时,a相上桥臂二极管导通;电压负半周时,a相下桥臂二极管导通。
通过上面的分析,采用移相180度的三角载波进行调制,在0~30度的扇区内有8种开关状态,4种工作模式ONO,ONP,OOP,POP。
ONO工作模式:a相和c相导通,b相截至,U和W电压为0,V点电压-400V;该工作状态只给C2进行充电;
ONO.PNG
ONP工作模式:a相导通,b相和c相截至;U点电压为0,V点电压为-400V,W点电压为+400V;
ONP.PNG

OOP工作模式:U和V点电压为0,W点电压为+400V;
OOP.PNG

POP工作模式:U和W点电压为+400V,V点电压为0,该工作模式只给C1进行充电;
POP.PNG


当然,这只是在0~30度扇区的工作状态,其实在整个工频周期,是有25个工作状态的,具体见我上面发的开关状态附件。ONO和POP这两种工作模式只给C1或C2充电的状态对后面母线电压均压起决定性的作用。

yubofeng1
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副总工程师
  • 2018-6-4 08:49:44
 
对于B相小于0,在实际中是不是对它进行取绝对值和载波去比较,或是别的方式,不同方式有什么区别
westbrook
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LV8
副总工程师
  • 2018-6-4 09:10:25
 
不是,如果取绝对值就不知道极性了。对输入交流电压采样,比如DSP参考电压是3.2V,可以取一半作为偏置量,即1.6V,低于1.6V的为负,高于1.6V的为正。
yubofeng1
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副总工程师
  • 2018-6-4 13:37:25
 
是叠加了1.6?
westbrook
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副总工程师
  • 2018-6-4 16:01:29
 
对,在交流采样电压上面叠加一个1.6V的直流分量。
xtdfa
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  • 2018-6-4 11:07:55
 
楼主讲讲相差180度在dsp程序中的实现方式
westbrook
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副总工程师
  • 2018-6-4 11:13:42
 
其实这个很简单,三相都是三角波调制,同时检测输入电压的极性,当检测到输入电压正半波,采用Trg1;当检测到输入电压负半周,采用Trg2;其他方式不变。
anthony
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  • 2018-6-1 09:02:19
 
期待继续讲
chaos2008
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  • 2018-6-1 09:14:11
 
这个要好好关注一下
peterchen0721
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高级工程师
  • 2018-6-1 14:10:52
 
座正身子 好好聽講 帖主功德無量
admin
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管理员
  • 2018-6-1 15:00:37
 
欢迎台湾的朋友 进来交流技术12月也有免费的技术培训会,欢迎关注。
QQ图片20180601145947.png
westbrook
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  • 2018-6-1 21:31:27
 
控制方案
我们知道,这种控制电路一般采取双环的控制方式,即电压外环+电流内环。电压外环得到稳定的输出直流电压,供后级电路的使用(比如Three Level LLC、PS Interleave LLC、PSFB 等),电流内环得到接近正弦的输入电流,满足THD和PF值的要求。
control loop.png

其实数字控制无非就是把模拟的方案转换为数字的运算,其中最经典可以参考TI 的UC3854,利用它的控制思想来实现数字化。
current loop voltage loop.PNG

PFC母线输出电压经过采样和滤波由DSP的ADC采样到DSP内部,与电压给定信号进行比较,产生误差后经过Gvc(s)补偿起后输出一个A信号,然后通过乘法器与交流AC电压相乘得到电流的给定信号,正是该乘法器的作用才能保证输入电压电流同相位,使电源输入端的PF值接近1;将采样的电感电流波形与电流给定进行比较得出误差,经过Gic(s)补偿器进行补偿后得到电流环的输出值,该值直接与三角波进行调制,得到PWM波形,控制电压和电流;大致的控制框图可以用下图来简化表示;
control loop2.PNG

其中:Gcv(s)电压环的补偿函数,Gci(s)为电流环的补偿函数,Hi(s)为电流环采样函数,Hv(s)为电压环采样函数,Gigd(s)为电感电流对占空比D的函数。
chaos2008
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  • 2018-6-2 08:10:38
 
请问一下一般充电桩模块三相维也纳PFC的开关频率大概是多少?谢谢
westbrook
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  • 2018-6-2 08:25:38
 
按照现在功率器件的条件,一般设计在25kHz~45kHz比较好。
westbrook
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  • 2018-6-2 08:23:40
 
控制地AGND的选择
在传统的单相有桥PFC中,一般把PFC电容的负极作为控制AGND,因为该点的电压通过整流桥跟输入的L、N相连。当输入为正半周的时候,AGND为整流桥钳位在N线;当输入负半周的时候,AGND被整流桥钳位在L线;所以母线电容的负极地AGND(相当于PE)是一个工频的变化,由于输入一般都是50Hz的交流电,所以相对还是比较稳定的,可以作为控制电路的控制地。
但是相比较Vienna PFC就不一样了,母线电容的中点相对与工频电压中点(PE)是一个开关级的5电平高频变动的电平:±2/3Vo、0、±1/3Vo(这里的Vo代表母线电压的一半,典型值400V,5电平是如何产生的请参考开关状态附件的eon),如果以如此大的高频波动去作为控制地的话,那么噪声和共模干扰就会非常的大,可能会导致采样电压和驱动不准确,严重影响到电路的可靠性。
由于电容中点的高频变化不能作为控制地,那怎么办?我们是否可以认为的构建一个虚拟的地来作为控制地AGND?我们可以采用在三相输入之间通过分压电阻相连,采用Y型接法来产生虚拟地而作为控制地。不过构建了这个控制地后,那么其他所有的采样、驱动都要以差分和隔离的方式相对于这个控制地来工作。采用这种方法,是不是完美的把电容中点O与控制地AGND分开了,避免了高频剧烈变动带来的干扰。
AGND.png

westbrook
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副总工程师
  • 2018-6-2 10:44:24
 
母线均压
我们知道,三相Vienna PFC拓扑的母线电压800V是由两个电容C1和C2串联进行分压,电容中点的电位O由电容的充放电决定,两个电容的电压应该保持均衡以保持真实的三电平运行条件。否则输出电压可能包含不期望的谐波,甚至会影响到电路的完全性。
三相三电平PFC正负母线的均衡度会影响PFC的性能:
1、输入电流THD;
2、功率开关管和二极管的应力(本身以及后级功率电路);
3、动态时母线电容容易过压;
电容中点的电位偏差与PFC正负母线电容的充放电过程相关,通过附件开关状态可以看出,a组和z组工作状态没有电流流入或流出电容中点,因此两个电容的充放电是一样的,不会产生偏压。只有b、c、d组的开关状态才会影响到PFC母线电容充放电的差异,产生偏压。
根据前面的工作原理分析,POP工作状态只给电容C1进行充电,ONO工作状态只给电容C2进行充电,故可以根据这两个工作状态来控制中点电位,在控制中可以调节ONO和POP两个工作状态的作用时间来进行均压。
ONO.PNG POP.PNG

这个时候可以在整个控制环路中添加一个偏压环,用于调节ONO和POP的作用时间,来进行母线电压的均压作用。
具体实施方:是分别对正母线和负母线进行采样,然后得出差值(直流分量),该差值经过偏压环的补偿器调节之后叠加到输入电流参考正弦波,经过精密整流后变换为幅值有差异的双半波作为电流环的给定,以此来改变ONO和POP的作用时间,改善PFC母线均压。
vasamp.png
如下图所示,compa、compb和compc分别是每相的电流环计算出来的结果,以0~30度扇区为例,当正母线相对于中点的电压低于负母线时,正半波的给定变小,负半波的给定变大,POP工作状态的时间变长,给正母线电容的充电时间变长;ONO工作状态的时间变短, 给负母线电容的充电时间变短。当正母线相对于中点的电压高于负母线时,正半波的给定变大,负半波的给定变小,POP的作用时间变长,给正母线电容充电的时间变短,ONO的作用时间变长,给负母线的充电时间变长。
图中comp值实线代表上个周期的值,虚线代表当周期需要的值;阴影部分代表变化的时间;
ONO&amp;POP.png
以上说明的是主功率回路正常工作时候可以通过调节来控制PFC母线电容的均压,但是当模块起机的时候呢?可以采用辅助电源直接从+400V~-400V之间进行取电,由于电容有差异性,内阻不可能完全相等,也会差生偏压。还有一个是要采用更高等级的MOSFET,成本高,而且现在充电模块的待机损耗也是一个问题,很多客户要求模块的待机损耗不能超过多少。
当然还有另一种辅助电源取电方式,也是现在厂家主流的方式。就是正负母线均挂一个辅助电源,在起机的时候通过充电电阻给母线电容充电,变压器采用绕组竞争的方式,谁的母线电压高,就采用谁供电,这样可以很好的保证模块在起机过程中的均压效果;在模块正常工作起来以后,也是同样的道理。而直接从+800V取电没有这种效果。
AUXpower.png
输出电压波形:
Vo.png
westbrook
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  • 2018-6-3 17:26:07
 
仿真波形
输入电流波形,参数没有调好,将就着看吧。
iL.png

输三相电流波形

桥臂中点的线电压
输入线电压峰值与PFC总母线电压的比值定义为调制系数m,m=Vlp/2Ed;其中Vlp是线电压的峰值;整流器可以被认为是与市电通过PFC电感连接的电压源,为了使输入电流正弦,桥臂中点线电压也应该为正弦波形。
而实际情况下桥臂中点线电压是正弦 PWM波形,谐波分量和最大步进是两个主要考虑的因素。(1)当输入线电压峰值值大于Ed时,桥臂中点线电压电压波形euv,是一个5阶梯的电压波形,幅值为0,±400V,±800V,步进是400V;
step.png

(2)当输入线电压峰值值小于Ed时,桥臂中线线电压波形是一个3阶梯的电压波形,幅值为0,±400V,步进为400V;

step2.png

桥臂中点相对与市电中点的电压波形eun,是一个9阶梯的电压波形;幅值为0,±133V,±266V,±400V,最小步进是133V,最大步进是266V;由于功率开关管和散热器之间有寄生电容,这个阶梯信号会产生共模噪声;

va2.png


电容中点O相对于市电中点的电压波形eon,是一个5阶梯波形,幅值为0,±133V,±266V,步进为133V;

agnd.png agnd1.png agnd2.png

以上仿真波形可以对照着附件开关状态进行分析。


荨麻草
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  • 2018-6-4 19:29:52
 
哇呜,大电源,最近玩了一段时间PLECS,发现例程中居然有这么一个大杀器。
1.png
westbrook
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  • 2018-6-4 20:22:16
 
胡兄的控制模型是自己搭建的么?
荨麻草
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  • 2018-6-5 08:06:01
 
软件自带的example
westbrook
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LV8
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  • 2018-6-5 08:54:41
 
哈哈,那确实可以。不过这个saber仿真的模型是按照DSP控制的思想去建立的,不过也可以反过来看。
westbrook
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  • 2018-6-3 19:12:31
 
到此为止,原理性的和控制相关的基本写完了,后续如果觉得有需要,再进行补充。一般像这种复杂点的拓扑,模拟控制是比较难实现,在实际调试过程中也会遇到很多问题,不知道论坛里面有没有兄弟实现。如果有实现的,是否方面一起探讨。
现在数字化是一种趋势,越来越多的电源需要智能化,要么半数字化,要么全数字化。那要实现数字化,如何实现呢?数字控制无非就是将连续的模拟信号通过采样-保持-转换的过程将模拟连续的信号转化为离散的信号。然后在MCU里面通过一系列的数学计算,实现想要的功能。

westbrook
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LV8
副总工程师
  • 2018-6-5 15:58:22
 
因为之间有个写三相维也纳的帖子,作者本身就只大概说了一个开头,太监了。后来看大家对这个帖子提出的问题很多的,本着想借这次机会跟大家系统的说一说,打算后面还想讲讲后续如何实现数字化、程序如何实现、数字补偿器等,但从大家的反应来看,貌似热情没那么高,难不成这几年大家扎堆搞充电模块,都搞懂了?所以后续这个帖子就不再更了。
不过大家有相关的问题还是可以提,大家一起交流。
yubofeng1
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LV8
副总工程师
  • 2018-6-6 09:29:15
 
威少讲的挺好,希望继续讲。先提问一个PFC电感的计算,是在低压输入和最大电流时去计算,因为这一点直流偏置最强烈,电感量最低。但是电感两端的deltU应该怎么确定?一端是电网输入,一端是跳变点。
westbrook
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LV8
副总工程师
  • 2018-6-6 13:23:42
 
PFC电感的大小由所允许的纹波电流决定的,它与 电感两端的电压波形和频率相关。至于PFC电感两端的应力,根据前面的分析,PFC电感的前端接入AC电压源,后端电压在开关不同的状态下分别接PFC电容三个电位,P,O,N,我们以输入的三相中点为基准,PFC母线电压是波动的,三个状态的电压分别为:
deltVpfc.png

其中Vu,Vv,Vw为三相桥臂中点相对母线电容中点的电压,以A相为例,当Va>0时,Vu可以取0,400V,而其余B,C相可以取除(400V,400V)以外的任意值,因B,C相不可能同时为正,所以此时PFC电感右端的电压范围-266~533V.

同理,当Va<0时,Vu可以取0,-400V,而其余B,C相可以取(-400V,-400V)以外的任意值,所以此时PFC电感右端的电压范围-533~266V.电感两端的电压峰值出现在该相60°时(大于60度后其余两相为负,GND到0的电压最大值变成了133V),故电感两端的最大电压值为:

ulmax.png

电感两端的电压波形如下:
VLa.png






sunquanliang
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高级工程师
  • 2018-6-12 22:39:06
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期待后面的部分算法实现继续讲讲,不要像你推荐的那个帖子一样烂尾了。
另楼主有没有做出来相应的产品发出来让我们看看眼界,以及您运用的是模块还是分离器件搭的?维也纳的开关管的驱动电路能否做些介绍呢?实物图让吾等膜拜一下。
另有没有兴趣讲一讲三相VSR(三相可控整理)的PFC拓扑结构?因为三相PFC的方案有这两种,在充电桩的运用里面大多的选择了维也纳的拓扑。
而实际中,如果能实现与能源的相结合,显然VSR可能更有优势。可以做更加大的系统,实现能量的双向流动和三元换流。
难道充电桩的眼界就仅限在了AC~DC,不考虑能源的双向流动以及公用母线接入太阳能能源吗?还是仅仅是成本的限制了?期待楼主的答复。

sunquanliang
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高级工程师
  • 2018-6-12 22:40:51
  • 倒数5
 
我之前有做过三相VSR的产品方案预演,没有搞成功还。
westbrook
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副总工程师
  • 2018-6-13 20:52:18
  • 倒数3
 
其实控制思想我已经在楼上已经说过了,实现产品化就是采样上述控制思想;后面如果有时间继续也大概是讲讲如何实现数字化,以及如何从S域到Z域的控制器设计。产品肯定是做出来了,只是不方便公开。现在充电模块展会上大多数厂家都会有相关的图片;充电模块都是采用分离元器件在PCB板上实现的,没有采用像IPM之类的模块,无非就是一些MOSFET、磁性器件等;至于你说的驱动电路可以有多种,唯一的难点就是需要隔离,将DSP发出的PWM通过隔离芯片+驱动IC或者驱动IC+驱动变压器来驱动MOSFET。
至于你说的三相VSR,没有做过额,不是太了解啊。





sunquanliang
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高级工程师
  • 2018-6-13 21:49:28
  • 倒数2
 
谢谢,我在仔细的阅读阅读你的帖子,另对于充电桩的运用,难道就没有考虑做成一整个能源系统吗?如果考虑做成能源系统的话,现在这种市面上上的维也纳的拓扑可能就不是最优选择了。
对于充电桩市场,能否介绍一下主要的厂家?谢谢


westbrook
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LV8
副总工程师
最新回复
  • 2018-6-13 22:29:35
  • 倒数1
 
现在的充电模块主要是做整桩给乘用车充电,小汽车的电池电压相对偏低一点,大巴的电压相对高一些。
你说的双向的难道是要从汽车电池内部逆变到电网?我觉得没有这个必要。
目前国内主要的厂商我觉得是英飞源、优优绿能、浙江中恒等几个厂家做的比较好。
clover333
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助理工程师
  • 2018-6-8 20:52:34
 
围观学习了!
westgua
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助理工程师
  • 2018-6-9 12:03:14
  • 倒数10
 
一直对维也纳整流有兴趣,之前看的资料都是偏理论的,难得楼主从工程实际角度来讲解,受益匪浅,希望楼主能继续。
大大西瓜
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LV1
本网技工
  • 2018-6-13 14:39:07
  • 倒数4
 
谢谢楼主的分享。
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