芯·技术 | 瑞萨MCU做主控的三相5KW图腾柱无桥PFC方案介绍

瑞意进取 芯怀天下

X-IPM Technology

1、高速数据运算:主控制器Renesas的RA6T2BD3C为高性能数字电源专用控制器,主核工作频率为240MHz，ARM33核，并且具有浮点运算单元；

2、高分辨率PWM驱动:高达10个通道的通用PWM定时器，可以产生足够多的驱动来完成复杂的3相正弦波控制，能够以合适的开关频率提高产品的功率密度；

3、多达29个模拟转换输入通道，并且2个独立的AD转换器，转换速度可达6M以上，可以减少相位延迟，提高产品的稳定性;

4、三相图腾柱PFC拓扑:三相交流220V与母线电压大约700V，可以实现双向 AC-DC变换运行，并且使用空间矢量脉宽调制SVPWM技术;

5、利用RA6T2的AD采样确定3相电压的正负半周切换，使用软件锁相环去锁相采样电压与真实的电网电压同相且同频率，实现高功率因数的整流功能，软件过零检测电路用于检测电网电压状态。

1 、交流输入整流功能

3相输入相电压220V，频率45Hz到60Hz.输出电压700V额定电压。输出功率5KW.80K的开关频率，PF值0.99，THD5%.最高效率97%。

2 、离线逆变器功能

直流电压700V，输出3相相位相差120度的380V离线逆变器，输出功率5KW，开关频率80K.输出频率50Hz,THD5%,最高效率不低于97%。

该方案的输出电压700V为设计目标，因此控制电路有两个目标。第一，要求将输出电压稳定在700V。第二，实现电网侧的电压和电流同相位。

利用锁相环得到三相电压实时的一个角度，如图1所示。

图1 PLL

将得到的角度参与到三相电压和电流的DQ坐标变换，得到Vd，Vq和Id,Iq。如图2所示。

图2 电压电流坐标变换

得到所有需要的参数之后，下阶段是控制输出电压稳定在700V。其系统结构控制框图如图3所示。

图3 前馈解耦PI控制系统框图

如图4所示为电压电流双环控制的一个仿真图，和图3原理一样。将给定700V电压与采集到的输出实时电压做差，经过PI计算得到的数值作为电流内环的给定值，再经过图3所示得控制原理得到Ud,Uq。Ud,Uq经过反变换得到α和β参与到SVPWM的控制中之后即可得到调节输出700V的所需的开关管占空比。

图4 双环控制框图

图5为电压调节过程整体图。

图5 电压调节整体图

图6为电压电流相位同步的过程

图6 三相电压与电流波形

图7为电压上升到700V的过程，可以看出此时PWM需要的脉宽较大，来维持电压上升的一个过程。

图7 PWM脉冲和输出电压上升波形

图8为输出电压稳定在700V的过程，看出此时PWM的脉宽减小，不要再增大脉宽增加输出电压。

图8 PWM脉冲和输出电压稳定波形