预测控制？一种CRM Totem pole PFC的实现方法

前言：

  前不久我参考了ETH的论文：《Ultraflat Interleaved Triangular CurrentMode (TCM) Single-Phase PFC Rectifier ChristophMarxgut, Student Member, IEEE, Florian Krismer, Member, IEEE, Dominik Bortis,Student Member, IEEE, and Johann W. Kolar, Fellow, IEEE 2013》，制作了一期关于TCM PFC的实现视频:[color=var(--weui-LINK)] 《单相TCM PFC的原理、控制、仿真以及实现 Part1》后，受到很多朋友的关注，也有很多朋友在询问最新的研究进展，下文便是我最近的一些研究和学习进展。主要是考虑到使用CT采样电流来做TCM的负向电流判断来做TOFF的标志，这种依靠检测电感电流的ZCD来刷新开关周期的方法比较麻烦。我就一直在思考能否不依靠采样电感电流的方向来实现TCM的TOFF时间控制的方法。

  对于CRM模式的BOOST型PFC来说，我们根据输入电流的的瞬时值可以很容易计算出TON阶段电感电流的峰值，继而也可以很容易的计算出电感电流下降到零所需的时间。可见下图所示，再根据Coss电荷量即可计算出实现ZVS所需要的TR和TS2时间，把TON+TOFF+TR+TS2的时间加起来就等于一个开关周期。

   依据这个方法，如果我们能在当前开关周期的上一个开关周期里计算出下一个开关周期的周期长度，我们就能直接写入C2000的EPWM模块的TBPRD寄存器。这样，在当前这个周期中，EPWM模块就可以直接载入已经计算好的周期长度，从而实现CRM PFC的变频率控制方法。然后要依靠电流内环来计算得到duty大小，这样我们就能在控制中计算得到占空比和开关频率，而无需再对电感电流的方向采样判断ZCD后来实现控制。

  因此在上文中我提出的这种实现方法，只需在DSP中计算得到TON和TOFF以及为了实现TCM模式而计算的TR+TS2时间长度。其中TR+TS2的计算我在下篇文章再说，在这里我先给他们一个随正弦周期变化的拟合量，虽不准确但是省时省力，下文将不过纠结这一个点。所以我们的注意力应该要放在如何得到TON和TOFF长度，TON其实比较容易得到，因为更新到EPWM模块的CPM寄存器中就是TON的值。再根据TON和输入AC电压的瞬时值计算出电感电流的峰值，再利用TOFF时间电感电流下降到零，来计算TOFF。到这里，其实我们很容易的就得到了TON+TOFF的时间，如果是谷底开关模式，到这里就算完事了，TCM控制就TON+TOF+TR+TS2，这样也得到了一个完整的开关周期长度。则有简单的计算过程：

TON和TOFF的变化：

理想情况下CRM的开关频率：

  当然要说的是，在实际工程中还需要考虑到Coss的问题，只是本文的理论计算和仿真就没有考虑这么多。闭环控制的实现：采样电压电流双闭环模式控制，电压外环的输出乘以输入AC电压后给到电流内环的给定，然后采样AC输入电流来做控制。这里必须要说的是，在实际工程中因为输入有EMI滤波器，所以即使电感电流是三角波也会被滤波的不错，采样电流后即可控制。在仿真模型中因为我前面没有加入滤波器，所以采样的电流是个三角波，需通过较大时间常数的滤波器抑制后才能得到低频AC正弦电流波，而且把三角波滤平需要的时间常数较大，所以考虑闭环控制性能后，使用1e-4的时间常数的滤波器来对电感电流的三角波进行低通滤波器。

模型介绍：在这个模型中暂时没有加入TCM的实现，也没有考虑VAC RMS的前馈，仅是对不使用电感电流的ZCD来做CRM控制实现。

  上文说明了仿真中因为CRM的三角波电流比较难以滤波为平滑的AC电流波形，所以电流内环上会有一些振荡，我相信在实际上是可以解决这问题。占空比控制由电流内环的PI输出，开关频率由TON+TOFF计算得到，并在AC过零点附近限制了开关频率，可见下图所示：

  由于在仿真环境中，不能直接读寄存器得知TON时间，所以我用电流环的指令*2来做IPK点，然后用IPK根据电感量和输入输出电压来计算TON和TOFF，其原理已经在上面介绍。

PWM模块的实现：可以说CRM 控制的关键就是变频，而且可以调整duty的PWM模块。我之前一直是被模拟控制限定了思路，一直没有找到比较好的PWM发波实现方法。但是在上个星期的三相LLC的仿真模型建模过程中，我发现了使用外置复位的积分器的来产生斜坡的办法，通过切割这个斜坡就可能得到duty，于是CRM的PFC的PWM模块就搭好了。对外置复位的积分器的解释可以参加这篇文章：《[color=var(--weui-LINK)]一种三相LLC的闭环仿真模型的实现方法》

运行：

电感电流过零：

致谢：感谢Jizhe Wang博士，与我进行了大量了CRM , TCM控制的相关知识点讨论，让我受益匪浅，非常感谢。

小结：

  本文作为我研究TCM PFC的第二阶段的输出，提出了一种不采样电感电流ZCD来实现CRM的方法，这里要感谢Jizhe Wang博士的论文的理论依据，我只是站在巨人肩上。

   依据这个方法，可以很容易的在DSP中实现CRM的控制，由于事先知道了开关周期长度TBPRD，所以可以很容易的实现两相甚至是三相CRM的控制。对比使用电感电流ZCD来刷新开关周期不知道周期长度的方法，这种可以说是相当的简单。后续研究会继续更新，谢谢观看。