【原创】TCM PFC的原理、控制、仿真以及实现

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


•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

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



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。



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





华为 99%效率 TCM PFC：



TCM PFC的控制方法


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





TOFF 控制方法：


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



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:



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。




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

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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