[发明专利]基于双重积分滑模控制的数字式大功率图腾柱PFC

说明书

本发明涉及PFC技术领域，具体涉及一种基于双重积分滑模控制的数字式大功率图腾柱PFC，尽管积分控制可以改善系统稳态误差，但仅使用积分滑模还不能使升压电路获得满意的稳态性能[15],[16]，通常增加积分控制的阶数可以进一步改善稳态性能，所以采用双重积分滑模对样机进行控制，通常功率大于2kW的PFC电路采用交错式结构，该结构不仅可以降低器件的功率要求，还可以减少电感电流和输出电压的纹波，但交错结构增加了器件的数量，导致功率密度降低。如果采用双重积分滑模控制并且使用GaN HEMT作为开关管，即使不采用交错式结构，大功率图腾柱PFC也能获得更好的性能。具有很强的创造性。

技术领域

本发明涉及PFC技术领域，具体涉及一种基于双重积分滑模控制的数字式大功率图腾柱PFC。

背景技术

虽然线性小型号模型便于建模和分析，但是由于小型号这一前提条件的局限性，当PFC工作在全电压以及负载变化范围大的场合下，应用小型号模型建模很难获得满意的精度。另外根据[1],在PFC的全工作范围内，应用小型号模型不能准确地分析PFC的稳定性。当控制参数不确定时，滑模控制应用在变结构控制系统中具有很高的鲁棒性和稳定性[2]，该特点使其适合应用在开关电源这一非线性系统中。需要说明的是，开关电源的开关器件不可能达到无限高的频率，所以为了减小振颤，开关频率越高越好。

与Si MOSFET相比，GaN HEMT的优点可以归纳为：驱动功率小；开关损耗小；反向恢复损耗小；没有电压振荡(米勒效应)。也就是说，采用GaN HEMT可以实现很高的开关频率而不会导致效率下降很多。GaN HEMT的这些优点使其适合应用于滑模控制的图腾柱PFC。

研究人员和工程师竭尽全力提高PFC的性能，主要精力放在提高效率、功率密度和功率因数，以及降低THD和EMI[3]-[8]。PFC的发展趋势是应用更少的器件同时获得更好的性能，从而满足上述需求。在所有的PFC拓扑结构中，图腾柱结构使用的器件最少，这也意味着图腾柱结构的传导损耗最小。然而在GaN HEMT工业化应用之前，使用Si MOSFET的图腾柱电路很难得到实际应用，这是因为Si MOSFET的开关损耗比较大导致效率很低，以及其体二极管在反向恢复时寄生振荡导致谐波较大，这些不利因素使得使用Si MOSFET的图腾柱电路只能应用在断续电流传导模式(DCM)和临界电流传导模式(CRM)，而不能应用在需要连续电流传导模式(CCM)的大功率高效率的PFC。

当PFC的功率大于2kW时，通常采用交错结构[9]-[11]，即采用2个及以上的升压单元错开相位(错开的相位角度＝π/升压单元数)的方式工作。每个升压单元输出的波形错开一定的相位叠加在一起，叠加后的波形的纹波比单个升压单元的纹波要小。这种技术不仅可以降低器件的功率要求，减小器件的体积，还可以减少电感电流和输出电压的纹波从而减小EMI[12],[13]。但是，交错结构增加了器件的数量从而导致PFC体积增大，从而导致了功率密度的下降。

采用DSP控制并且使用GaN HEMT作为开关器件的图腾柱PFC，即使功率达到2.4kW，不采用交错式结构也能达到很高的性能要求。这是因为GaN HEMT没有寄生电压振荡，所以EMI很低；由于开关损耗小，可以实现高频开关，所以降低了纹波。和传统采用Si MOSFET的交错结构PFC相比，采用GaN HEMT的非交错结构图腾柱PFC在效率、谐波和功率密度方面可以获得更好的性能。为了验证理论分析的正确性，制作了一个2.4kW的样机。该样机的最高效率可以达到99.07％(50kHz)，最低THD仅为2.8％(115V)and 2.7％(230V)。采用图腾柱结构的PFC最高功率密度可达130W/立方英寸。

发明内容

(一)解决的技术问题