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【原创】TCM PFC的原理、控制、仿真以及实现

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maileyang
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  • 2020-7-29 13:22:44
前言:

相信大家都知道华为的3000W通信电源已经做到了98%的效率,其中使用2相交错TCM图腾柱无桥PFC,在无需使用宽禁带器件,仅依靠控制方法就实现了ZCS和ZVS工作,实现了极其高的效率。我也对其实现非常非常好奇,这些正是下文的起点。

查阅一些资料后,我大概了解了TCM基本概念,其实说起来原理并不算复杂,只是有几个问题在工程上难以实现:如何检测到负向峰值电流,如何计算准确计算TOFF时间,如何在数字控制器中实现TCM的变频率控制方法。这些问题也许大家知道,但是我不知道,也没有人告诉我,所以我花了一些时间来整理这些问题的解决办法,也提出了自己的思考。

TCMPFC的原理、控制、仿真以及实现

•TCM PFC的原理
•控制方法
•仿真建模
DSP实现考虑
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TCM PFC的优势

图片2.jpg
•ZVS ZCS工作
•降低了PFC开关管对地的共模噪音,多错相后降低了输入差模噪音
•使用同步整流模式工作,极低的导通损耗
•可以双向工作


TCM PFC的原理
图片3.jpg 图片4.jpg 图片5.jpg

Vi/Vo < 0.5 能实现ZVS
Vi/Vo > 0.5 能谷底开关不能实现ZVS
是因为电感电流归零后由Coss电容对电感充电,电压仅能下降到Vi-VLoff
VLoff为电感放电时的电压


当电压到谷底后继续开通高端开关让电流从高压电容反向流入到AC侧
可以让电感电流达到反向峰值电流
进而带走两个MOS的Coss电容实现ZVS

图片7.jpg

实质上这里存在两个过程:
由IR = Tx * (Vo-Vi)/L,得到负向峰值电流
需在Ty时间内将两个Coss电容的电荷带走,使半桥中点电压下降到零,从而实现ZVS。

QQ图片20200729114026.png QQ图片20200729114131.png

论文中在FPGA里面用状态机来实现:
S12 闭环控制TON时间,进而控制流过电感的电流
S11和S12之间的死区时间,也为了实现S2的ZVS
S11开通,电感续流
根据管子Coss电容和Vi电压实时计算TR的大小,开通到TR时间后,电流达到负向峰值,然后关闭S11
依靠电感反向峰值电流,在这段时间内带走S11和S12的Coss电容中的电荷,S12实现ZVS
(REF: Ultraflat Interleaved Triangular Current Mode (TCM) Single-Phase PFC Rectifier Christoph Marxgut, Student Member, IEEE, Florian Krismer, Member, IEEE, Dominik Bortis, Student Member, IEEE, and Johann W. Kolar, Fellow, IEEE 2013


TCM 状态机仿真

图片10.jpg 图片11.jpg 图片12.jpg



华为 99%效率 TCM PFC:

图片13.jpg QQ图片20200729115306.png

TCM PFC的控制方法
QQ图片20200729115442.png

TCM PFC的仿真模拟: 因为没有找到刷新PWM的办法,所以没有加入负向电流控制
图片14.jpg 图片15.jpg
图片16.jpg



TOFF 控制方法:
QQ图片20200729115854.png

使用DCxEVT刷新开关周期:
在使能PHSEN的情况下:
DCxEVT1.sync与EPWMXSYNC具有相同的效果

QQ图片20200729120235.png

图片17.jpg 图片18.jpg
EPWMXSYNCI置高时,能把TBPRD的值强迫写为TBPHS的值。

所以设置TBPHS寄存器为0,续流管上的CT检测到电流由续流变为流入(方向发生改变),就可以产生一个DCxEVT.SYNC事件,强制让epwm模块的TBPRD恢复到0开始计数。



两相交错TCM的实现:
QQ图片20200729131151.png


TCM实现思考:
计算Ton,Toff,Ttcm,公式:
计算得到周期长度,同时使用CMPSS检查ZVS实现和TOFF长度,049支持谷底捕获。
如果计算的周期长度不能实现ZVS,则可以根据CMPSS捕获的谷底来进行一定范围调整。


QQ图片20200729131351.png 图片19.jpg

由电流环与PWM斜坡切割得到占空比,进而得到TON
根据输入,输出电压,电感量,计算Ipk,Toff
根据Coss,Lpfc计算谐振周期,取Tzvs = 0.25*Tfr时间
在Vi < Vo/2,区域进行谷底开关,Tsw = Ton + Toff +Tzvs
在Vi > Vo/2,区域进行TCM工作
Vi在过零附近,钳位频率PWM工作
图片20.jpg

参考文档:Ultraflat Interleaved Triangular Current Mode (TCM) Single-Phase PFCRectifier Christoph Marxgut, Student Member, IEEE, Florian Krismer, Member,IEEE, Dominik Bortis, Student Member, IEEE, and Johann W. Kolar, Fellow, IEEE2013

最后必须要说的是本人研究TCM整流器的时间较短,所以理解和认知有限,如果视频中有错误的地方,恳请各位大佬谅解,毕竟能力有限。所以还希望各位大佬能将错误之处告诉本人,本人将感激不尽,谢谢。

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BingSun
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  • 2020-7-31 10:32:26
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木有看出什么是TCM模式。
westbrook
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  • 2020-7-31 19:38:09
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三角波控制模式,电感电流可以过零,实现MOSFET的ZVS。
BingSun
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  • 2020-8-1 18:29:48
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谢谢!!!
fengyj123
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  • 2021-1-1 09:18:52
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您好,请教一下。如果是用图腾柱拓扑做的PFC(也是用的TCM),一般PFC管子频率是固定的吗?
westbrook
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  • 2021-1-1 11:37:17
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TCM控制,PFC工作频率是变的,在过零地方频率最高
fengyj123
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  • 2021-1-5 15:46:21
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请教一下,这样的电路,PFC侧频率和交错有什么规律可寻吗?
westbrook
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最新回复
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没有什么规律,交错是固定的,频率是根据实时算出来的。
Mr_Chen
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