控制回路设计介绍

大家好 我是TI Century FAE Igor An

今天我将向大家介绍

由TI C2000 Solution Team开发的

三相维也纳PFC的参考设计

希望通过这个参考设计 能让大家了解到

在三相维也纳PFC的系统中 有哪些TI的芯片

可供大家参考和选择

同时也非常希望 我们在实现
 三相维也纳PFC的控制算法上

能对您有所启发和帮助

下面这个章节 我将主要为大家介绍

在三相维也纳PFC 这个参考设计中

我们控制环路的 设计是如何实现的

我们知道要对一个定率电子 的
功率电路进行控制

首先我们要了解 这个功率电路的运作模式

那这里呢 我们以 三相维也纳PFC中的任意一项为例

举例列出了它的几种 电流的流向和工作模式

从这里可以看出 我们每一项上面的两个Mose管

它实际上就相当于我们这个

两个正负半边的两个boost

这种实现PFC的 这种拓普模式中的

正负半边的两个管子

在我试电的正半周周期

那我的电流流向是从ViN到母线

那是我将前面的这个G1的管子闭合

那电流将会流过G2管子的TRD管

那G2管子这个时候 是off的 是断开的

那通过TRG管流过去

那相反的负向的是电流是相反的

所以这两管子一个 是在试电的正半周工作

一个是在试电的负半周工作

那这里就是说 我们一步一步的去了解


整个维也纳PFC的电路工作原理

那实际上我们完全 可以把三相维也纳PFC

独立成三个单相的 互相独立的单相的系统

进行研究

后面呢 我们也可以 把这个
三相独立的通路

作为三个独立的环路进行控制

那它的一个理论依据呢

其实就是我们把这个 两个母线的中点 这个M点

看作是或者是等效于

我三相ABC输入 
三相电压的中线 中线点

那我们假设有一根虚拟中线 从这个M点连出去

那这个虚拟中线就是连到

或者就是三相ABC输入的中线

那如果是有这根线存在的话 那三相维也纳PFC的三个支路


就完全独立 互相解耦

互相不干扰

那这根线在实际系统中是没有的

那这根线如果存在的话

这根线上所流过的电流 或是什么形式

如果这根线上 根本就没有任何电流流过

那它的存在和不存在都是等效的

所以如果能够通过什么方式

或者是通过控制算法的方式

或者是什么计算
 各种不同的计算方式

能够实现让我这个 
即使有中线

它这个中线上没有任何电流流过

如果能实现这种情况 那我就实现了三相维也纳PFC的解耦

那我就把它看作三个单相去控制

那同样的如果我们假设 这边有一个中线

连到三相的中线上 如果这根线存在的话

那么我们这个图上看到个这个电路 那它画的这个形式

大家可能比较陌生

但是如果我们仔细看一下 那电流流向的话 如果这有中线的话

那它其实就是一个

两个boost去结合 形成对一个AC进行控制

那这两个boost就是经典的那一种

那正半边一个boost 控正半边

就是试电的正半周期的时候 一个boost去控

试电的负半周期的时候 另一个boost去控

那就完全是这种 非常经典的boost PFC的

单相boost PFC的这种结构

那如果存在这根中线的话

这个大家可以细想一下 应该是很容易就能够

联想到boost这个结构的

那我们举个例子就是 假设是正半周的这个

试电周期的时候

那我控制的管子 是这个G1这个管子

那G2它是通过TRG管 相当于它就不存在

那它就一直会通过去的

所以那我G1管子连过去 直接是中线回去

那就相当于我这个输入 经过电感这点

那on的时候直接是对中线短路 那就是给这个电感储能

它off的时候
那就是 电感放能给这个电容

这个电容电压抬升 那完全就是一个半边boost

那反向的这个是同样的道理

所以如果我们能把它看成三个独立的

正负boost这种形式 那这个维也纳PFC


就变得非常容易去控制

那如何去实现呢

因为它毕竟没有这根中线

我们用什么方式去实现 这种三相独立解耦呢

我们将在下面几页 给大家进行详细地阐述

另外我们这里强调的一点就是说 整个我对三相维也纳PFC的控制

或者说我对这种PFC的控制 实际上就是对这个

电脑后端这个VxiN 这点的电位进行控制

那我控制它是正旋的

从而保证 这个
ViN减去VxiN得到这个

降落在电感上的电压 产生的

这个iLi

这个电流是正旋的 同时这个电流是与电压输入同相位的

好下面我们就是深入地看一下

这个电流环的这个建模

那对电流环的建模 其实我们熟悉这个PFC控制

就是单相也好或是 其他拓普的PFC控制

这种如果是熟悉的话

那其实我们对 这个PFC电流环的建模

实际上就是对这个电感的建模

那整个这个系统的模型就是这个电感

那就是在我们的框图里这里显示的

那这个框图之外 这个红色虚线右侧这个

我们认为它都是 这个实际硬件的数据模型

我们叫Plant

那我们还有这么多其他的环节 其实就是我们各个采样的变比

我们把它都考虑进去了 以及母线电压

等等这些的影响还有内阻

那其实最基础的就是这里

那对一个系统建模其实 非常重要的一点首先就是

我要知道被建模系统的输入输出

那这里我们很轻易地看到

这个系统的输入就是我的duty 就是我的整个MCU输出的duty

它的输入是duty 输出就是 我的实际的电感电流iLi

那最为一个反馈系统

那对于这个系统来说 那其实我们就是要找到一个

这个duty到iLi的一个数据关系

那我们这个通过这么多框图 这个数据关系其实如果

我们把它理解成
两个boost 这种结合的
单相PFC来说

这个关系其实是不难推出来的

那我们可以很容易的
 就推出来这个数据关系

那其实我们从duty 来去推这个关系的时候

它和我们这个数据模型 它的关系实际上是

因为我们这个数据模型 
从这个sLi再加上这个内阻Ri

这样本身来说它的输入是电感的电压 电感上降落的电压

就是这个电感上的降落量 它是等于输入电压减去我这个VxiN

那这个VxiN的电位 就和我的duty有关了

就是我们上一页看到的那个关系

那它是一个duty和母线的一个关系

那我们有了这个关系我就可以

把这个输入的这个电感的VL 我们叫它VL

和duty做一个转换 那整个前面这一堆这个模块

或者是这个经过的这一些比例框图

那它都是把这个duty转成VxiN

好

好

这个关系我们就不太多花时间去讲

那其实电压环 传统的这个PFC控制呢

电压环路其实没有什么特别的地方 但是对维也纳PFC

就像我们之前讲到的 如何去实现把这根虚拟中线拿掉

而同样能让这个系统
 能够数据关系成立

能够让它们工作

那在维也纳PFC里面 关键的这一点就是通过电压环

去控制 去实现的

那电压环我们下面列出了
一个这个

整体的这个电压环的框图

这个是包含了电流内环 那这里是电流内环

那经典的这个
 我们现在这个建模方式

是通过这个功率的形式去建模的

那其实最核心的还是我们的模型

那我们这个模型就是电容的电流

和电容的电压的一个关系

那这个关系也是不难推出来的

但是我们知道我们的电流内环

它控的电流是电感的电流

所以我们需要找到电感电流
 到电容电流的一个对应关系

那我们中间这些环节就是 
把这个电感电流转换成电容电流

然后 那我们这面 前面的建模都是用功率

那我们认为从矫正器输出的 
这个地方的物理也是我们的这个功率

那经过一些常数 系数的这个变化

我把这个功率值 实际上我是转换为电感电流的伏质

那后面的就是 经典的PFC的处理办法

就是把输入电压的这个AC

它的数值是一个正旋信号 乘以一个常数

就把它变成一个单面正旋 成为我的电流伏质

这样我就变化成为了 
一个我的正旋电流参考

那通过它的一些自己环路的电流矫正 去实现电流的自闭环

然后再经过这些关系把我的
这个 电感电流的关系
变为电容电流的关系

那实现整个环路的成立

那这个我们看到这个Vbus

那这里的Vbus我们注意到

因为我们之前看的拓普 
它为我们实际上分了正负母线

那这里Vbus控制是正负母线之和

那我们在后面会深入的去讲解

那这张图是我们一个完整的
 这个三相维也纳PFC的控制回路

我们有包括我们的功率电路

那这里我们画了一些 包含EMC的 EMI的 这些余波电路

那我们看到其实 我们三相电压的采样在这

那它的参​​考点N 是我们造出来的这个N点

那这个电压是我们 作为正旋量去乘进去的

同时我们还可以看到 在这个地方还有这个地方

就是我在电流环 要输出这个duty的时候

我又额外加入了一些变量

那这个变量到底是不是加到这 我们可以去探讨

那有很多种加的方式 但是核心的一点就是我的电压环

那电压环看到我们第一个环路 就是这个加号

那其实它的来源是 我的
正母线采样和负母线采样

我是把正负母线电压采样去相加 得到一个总的母线采样

作为我的总的母线

那由一个总的母线控制回路 就是这里

它去决定我的电流伏质

另外一个我把正母线和负母线 做一个相减

做一个两个母线 电压差值的控制回路

把它放到我这个duty里 当然这个点也还有可能

直接放在电流参考这边

实际上我们从直观的理解来说

我们就是把我的 以零对称的正负相等的这个

sin的这个电流参考

我把它人为的加一个零[听不清]

或者向正或者向负 当然这个是在动态的调节了

这个环路的目的就在于 我保证我正负母线是均衡的

那这个实际上就是回到
 我们最初讲的虚拟中线的那种思路

那它正负母线均衡的 
我就可以保证

这一点几本是零电位

那我就可以等效 为
我这个M点和我这个N点

是相连在一起的 因为这个是零电位

那这里我们认为也是零电位

当然前提是我三相电压平衡

那这样它们之间是没有 就从平均电流上来看

是没有环流流过的 那我把这个线连上

我把这个线拿掉 那它对系统的这个

在一个周期这个范围内 所看的是没有影响的

所以从这一点上 我们从这个环路的控制环路的设计上

来实现了这个三相维也纳PFC的控制

那它的实现方式就是 我把它的每一个支路作为一个独立的

两个正负半边的boost进行控制

那这个就是我们 整个维也纳PFC的实现

这个整个实现的思路和我们的方式

好

今天我们这个软件控制回路的部分 就给大家介绍到这里

欢迎大家继续关注后面的内容 谢谢大家

大家好 我是TI Century FAE Igor An

今天我将向大家介绍

由TI C2000 Solution Team开发的

三相维也纳PFC的参考设计

希望通过这个参考设计 能让大家了解到

在三相维也纳PFC的系统中 有哪些TI的芯片

可供大家参考和选择

同时也非常希望 我们在实现
 三相维也纳PFC的控制算法上

能对您有所启发和帮助

下面这个章节 我将主要为大家介绍

在三相维也纳PFC 这个参考设计中

我们控制环路的 设计是如何实现的

我们知道要对一个定率电子 的
功率电路进行控制

首先我们要了解 这个功率电路的运作模式

那这里呢 我们以 三相维也纳PFC中的任意一项为例

举例列出了它的几种 电流的流向和工作模式

从这里可以看出 我们每一项上面的两个Mose管

它实际上就相当于我们这个

两个正负半边的两个boost

这种实现PFC的 这种拓普模式中的

正负半边的两个管子

在我试电的正半周周期

那我的电流流向是从ViN到母线

那是我将前面的这个G1的管子闭合

那电流将会流过G2管子的TRD管

那G2管子这个时候 是off的 是断开的

那通过TRG管流过去

那相反的负向的是电流是相反的

所以这两管子一个 是在试电的正半周工作

一个是在试电的负半周工作

那这里就是说 我们一步一步的去了解


整个维也纳PFC的电路工作原理

那实际上我们完全 可以把三相维也纳PFC

独立成三个单相的 互相独立的单相的系统

进行研究

后面呢 我们也可以 把这个
三相独立的通路

作为三个独立的环路进行控制

那它的一个理论依据呢

其实就是我们把这个 两个母线的中点 这个M点

看作是或者是等效于

我三相ABC输入 
三相电压的中线 中线点

那我们假设有一根虚拟中线 从这个M点连出去

那这个虚拟中线就是连到

或者就是三相ABC输入的中线

那如果是有这根线存在的话 那三相维也纳PFC的三个支路


就完全独立 互相解耦

互相不干扰

那这根线在实际系统中是没有的

那这根线如果存在的话

这根线上所流过的电流 或是什么形式

如果这根线上 根本就没有任何电流流过

那它的存在和不存在都是等效的

所以如果能够通过什么方式

或者是通过控制算法的方式

或者是什么计算
 各种不同的计算方式

能够实现让我这个 
即使有中线

它这个中线上没有任何电流流过

如果能实现这种情况 那我就实现了三相维也纳PFC的解耦

那我就把它看作三个单相去控制

那同样的如果我们假设 这边有一个中线

连到三相的中线上 如果这根线存在的话

那么我们这个图上看到个这个电路 那它画的这个形式

大家可能比较陌生

但是如果我们仔细看一下 那电流流向的话 如果这有中线的话

那它其实就是一个

两个boost去结合 形成对一个AC进行控制

那这两个boost就是经典的那一种

那正半边一个boost 控正半边

就是试电的正半周期的时候 一个boost去控

试电的负半周期的时候 另一个boost去控

那就完全是这种 非常经典的boost PFC的

单相boost PFC的这种结构

那如果存在这根中线的话

这个大家可以细想一下 应该是很容易就能够

联想到boost这个结构的

那我们举个例子就是 假设是正半周的这个

试电周期的时候

那我控制的管子 是这个G1这个管子

那G2它是通过TRG管 相当于它就不存在

那它就一直会通过去的

所以那我G1管子连过去 直接是中线回去

那就相当于我这个输入 经过电感这点

那on的时候直接是对中线短路 那就是给这个电感储能

它off的时候
那就是 电感放能给这个电容

这个电容电压抬升 那完全就是一个半边boost

那反向的这个是同样的道理

所以如果我们能把它看成三个独立的

正负boost这种形式 那这个维也纳PFC


就变得非常容易去控制

那如何去实现呢

因为它毕竟没有这根中线

我们用什么方式去实现 这种三相独立解耦呢

我们将在下面几页 给大家进行详细地阐述

另外我们这里强调的一点就是说 整个我对三相维也纳PFC的控制

或者说我对这种PFC的控制 实际上就是对这个

电脑后端这个VxiN 这点的电位进行控制

那我控制它是正旋的

从而保证 这个
ViN减去VxiN得到这个

降落在电感上的电压 产生的

这个iLi

这个电流是正旋的 同时这个电流是与电压输入同相位的

好下面我们就是深入地看一下

这个电流环的这个建模

那对电流环的建模 其实我们熟悉这个PFC控制

就是单相也好或是 其他拓普的PFC控制

这种如果是熟悉的话

那其实我们对 这个PFC电流环的建模

实际上就是对这个电感的建模

那整个这个系统的模型就是这个电感

那就是在我们的框图里这里显示的

那这个框图之外 这个红色虚线右侧这个

我们认为它都是 这个实际硬件的数据模型

我们叫Plant

那我们还有这么多其他的环节 其实就是我们各个采样的变比

我们把它都考虑进去了 以及母线电压

等等这些的影响还有内阻

那其实最基础的就是这里

那对一个系统建模其实 非常重要的一点首先就是

我要知道被建模系统的输入输出

那这里我们很轻易地看到

这个系统的输入就是我的duty 就是我的整个MCU输出的duty

它的输入是duty 输出就是 我的实际的电感电流iLi

那最为一个反馈系统

那对于这个系统来说 那其实我们就是要找到一个

这个duty到iLi的一个数据关系

那我们这个通过这么多框图 这个数据关系其实如果

我们把它理解成
两个boost 这种结合的
单相PFC来说

这个关系其实是不难推出来的

那我们可以很容易的
 就推出来这个数据关系

那其实我们从duty 来去推这个关系的时候

它和我们这个数据模型 它的关系实际上是

因为我们这个数据模型 
从这个sLi再加上这个内阻Ri

这样本身来说它的输入是电感的电压 电感上降落的电压

就是这个电感上的降落量 它是等于输入电压减去我这个VxiN

那这个VxiN的电位 就和我的duty有关了

就是我们上一页看到的那个关系

那它是一个duty和母线的一个关系

那我们有了这个关系我就可以

把这个输入的这个电感的VL 我们叫它VL

和duty做一个转换 那整个前面这一堆这个模块

或者是这个经过的这一些比例框图

那它都是把这个duty转成VxiN

好

好

这个关系我们就不太多花时间去讲

那其实电压环 传统的这个PFC控制呢

电压环路其实没有什么特别的地方 但是对维也纳PFC

就像我们之前讲到的 如何去实现把这根虚拟中线拿掉

而同样能让这个系统
 能够数据关系成立

能够让它们工作

那在维也纳PFC里面 关键的这一点就是通过电压环

去控制 去实现的

那电压环我们下面列出了
一个这个

整体的这个电压环的框图

这个是包含了电流内环 那这里是电流内环

那经典的这个
 我们现在这个建模方式

是通过这个功率的形式去建模的

那其实最核心的还是我们的模型

那我们这个模型就是电容的电流

和电容的电压的一个关系

那这个关系也是不难推出来的

但是我们知道我们的电流内环

它控的电流是电感的电流

所以我们需要找到电感电流
 到电容电流的一个对应关系

那我们中间这些环节就是 
把这个电感电流转换成电容电流

然后 那我们这面 前面的建模都是用功率

那我们认为从矫正器输出的 
这个地方的物理也是我们的这个功率

那经过一些常数 系数的这个变化

我把这个功率值 实际上我是转换为电感电流的伏质

那后面的就是 经典的PFC的处理办法

就是把输入电压的这个AC

它的数值是一个正旋信号 乘以一个常数

就把它变成一个单面正旋 成为我的电流伏质

这样我就变化成为了 
一个我的正旋电流参考

那通过它的一些自己环路的电流矫正 去实现电流的自闭环

然后再经过这些关系把我的
这个 电感电流的关系
变为电容电流的关系

那实现整个环路的成立

那这个我们看到这个Vbus

那这里的Vbus我们注意到

因为我们之前看的拓普 
它为我们实际上分了正负母线

那这里Vbus控制是正负母线之和

那我们在后面会深入的去讲解

那这张图是我们一个完整的
 这个三相维也纳PFC的控制回路

我们有包括我们的功率电路

那这里我们画了一些 包含EMC的 EMI的 这些余波电路

那我们看到其实 我们三相电压的采样在这

那它的参​​考点N 是我们造出来的这个N点

那这个电压是我们 作为正旋量去乘进去的

同时我们还可以看到 在这个地方还有这个地方

就是我在电流环 要输出这个duty的时候

我又额外加入了一些变量

那这个变量到底是不是加到这 我们可以去探讨

那有很多种加的方式 但是核心的一点就是我的电压环

那电压环看到我们第一个环路 就是这个加号

那其实它的来源是 我的
正母线采样和负母线采样

我是把正负母线电压采样去相加 得到一个总的母线采样

作为我的总的母线

那由一个总的母线控制回路 就是这里

它去决定我的电流伏质

另外一个我把正母线和负母线 做一个相减

做一个两个母线 电压差值的控制回路

把它放到我这个duty里 当然这个点也还有可能

直接放在电流参考这边

实际上我们从直观的理解来说

我们就是把我的 以零对称的正负相等的这个

sin的这个电流参考

我把它人为的加一个零[听不清]

或者向正或者向负 当然这个是在动态的调节了

这个环路的目的就在于 我保证我正负母线是均衡的

那这个实际上就是回到
 我们最初讲的虚拟中线的那种思路

那它正负母线均衡的 
我就可以保证

这一点几本是零电位

那我就可以等效 为
我这个M点和我这个N点

是相连在一起的 因为这个是零电位

那这里我们认为也是零电位

当然前提是我三相电压平衡

那这样它们之间是没有 就从平均电流上来看

是没有环流流过的 那我把这个线连上

我把这个线拿掉 那它对系统的这个

在一个周期这个范围内 所看的是没有影响的

所以从这一点上 我们从这个环路的控制环路的设计上

来实现了这个三相维也纳PFC的控制

那它的实现方式就是 我把它的每一个支路作为一个独立的

两个正负半边的boost进行控制

那这个就是我们 整个维也纳PFC的实现

这个整个实现的思路和我们的方式

好

今天我们这个软件控制回路的部分 就给大家介绍到这里

欢迎大家继续关注后面的内容 谢谢大家