ZJU-PMIC 团队提出双序列 PSPWM 策略，抑制五电平飞跨电容图腾柱 PFC 动态电压振荡，论文被电力电子领域期刊《IEEE Transactions on Power Electronics》（IEEE TPEL）录用。
近日，ZJU-PMIC 团队论文 “Dual Sequence PSPWM Strategies for Five-Level FCML Totem-pole PFC to Suppress Dynamic Voltage Ringing across Flying Capacitors” 被电力电子领域期刊《IEEE Transactions on Power Electronics》（IEEE TPEL）录用。论文针对交流电压跌落后变换器重启时的飞跨电容电压振荡问题，提出双序列移相脉宽调制策略，为五电平飞跨电容图腾柱 PFC 的可靠运行提供了新的解决思路。
论文摘要
随着人工智能与数据中心的发展，服务器电源对功率密度和转换效率提出了更高要求。飞跨电容多电平图腾柱功率因数校正变换器具有降低器件电压应力、提升功率密度的优势，但在交流电压跌落后的恢复阶段，直流母线与飞跨电容之间的初始电压失衡会引发动态电压振荡，进而造成开关器件过压。
针对这一问题，研究团队建立了考虑飞跨电容电压纹波的动态模型，揭示了振荡形成机理及其与母线跌落幅度、移相序列之间的关系，并提出双序列 PSPWM 策略抑制恢复阶段的高频电压振荡。实验结果表明，该策略可使重启阶段器件最大电压应力超调由 70% 降低至 25%。同时该策略仅在恢复阶段短时启用，无需增加额外硬件，为提升多电平 PFC 实际应用中的可靠性提供了有效方法。
研究背景：网侧电压跌落后的恢复阶段存在飞跨电容电压振荡，带来器件过压
飞跨电容多电平拓扑通过多个电压等级分担母线电压，使低耐压器件能够应用于较高电压的变换场景。然而，器件承受的电压由各级飞跨电容电压共同决定，因此，保持电容电压平衡是变换器可靠运行的关键。
交流电压跌落期间，PFC 进入保护状态，负载继续从直流母线获取能量，母线电压随之下降，而飞跨电容电压基本保持不变。当交流输入恢复、变换器重新启动时，飞跨电容电压与当前母线电压已不再匹配。在传统 PSPWM 调制下，这种初始失衡会引起电容电压振荡，并进一步放大器件电压应力。
现有均压方法主要面向稳态工况。对于 PFC 恢复阶段的高频振荡，均压控制带宽受到系统控制结构的限制，难以通过简单提高带宽实现有效抑制。因此，需要从物理本质出发，改善恢复过程中的电容充放电行为。
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图 1 (a) 五电平飞跨电容拓扑；(b) 交流电压跌落后恢复运行时的飞跨电容电压与器件电压波形。
研究内容：通过相邻周期的序列切换抑制振荡
研究团队首先建立了飞跨电容电压动态模型，分析了初始电压失衡如何改变电感电压和电流波形，并造成各级电容充放电不对称。在此基础上，团队提出双序列 PSPWM 策略。传统 PSPWM 在相邻周期内重复采用“1234—1234”的移相序列；所提出的方法则交替采用正向与反向序列，形成“1234—4321”的调制方式。
图 2 (a) 传统 PSPWM 的驱动信号；(b) 双序列 PSPWM 的驱动信号。
传统相移载波使飞跨电容逐周期产生方向相同的电荷偏差，从而使飞跨电容电压持续变化，最终形成长时间尺度上的高频振荡。而两种相反的移相序列使飞跨电容在相邻周期内产生方向相反的主要电荷偏差，从而显著减小两个周期内的净电荷变化，因此在两个开关周期的时间尺度来看飞跨电容电压几乎没有变化，最终抑制了高频电压振荡。
图3 (a) 传统PSPWM两个开关周期内的飞跨电容电压变化持续累加波形，(b) 双序列PSPWM两个开关周期内的飞跨电容电压变化相互抵消波形。
实验成果：重启阶段器件最大电压应力超调由 70% 降低至 25%
研究团队搭建了五电平运行配置的飞跨电容图腾柱 PFC 实验平台，直流母线额定电压为 400 V，开关频率为 60 kHz，并在不同工况下进行了验证。
图 4 (a) 实验平台（Chroma 61511 交流源、ITECH IT8902E-600-140 直流电子负载、KEYSIGHT DSOX2024A 示波器、GWINSTEK 辅助电源、硬件样机、上位机、CYBERTEK DP6150B 差分探头）；(b) 交流电压跌落过程中的输入电压、开关节点电压及电感电流波形。
在 800 W、110 V 输入条件下，交流电压于 90° 相位发生 20 ms 跌落后，母线电压由 400 V 下降至约 310 V。采用传统 PSPWM 时，恢复阶段出现 1 kHz 的飞跨电容电压振荡，稳态工作电压 100 V 的器件在动态阶段最大电压应力达到 170 V，带来 70% 超调。采用双序列 PSPWM 后，高频振荡得到有效抑制，器件最大电压应力降至 125 V，超调由 70% 降低至 25%。
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图 5 800 W、110 V 输入、90° 相位发生 20 ms 交流电压跌落后，两种调制策略下的飞跨电容电压与器件电压对比。(a) 飞跨电容电压；(b) 器件电压。
团队还在 220 V 输入、90° 和 45° 跌落相位条件下完成了实验，器件最大电压应力由 165 V 降至 125 V，超调量由 65% 降低至 25%。进一步验证了该策略对恢复阶段高频电压振荡的抑制效果。
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图 7 800 W、220 V 输入、90° 相位发生 20 ms 交流电压跌落后，两种调制策略下的飞跨电容电压与器件电压对比。(a) 飞跨电容电压；(b) 器件电压。
且该方法无需增加额外硬件，且仅在重启阶段短时启用。变换器恢复稳态后可切回传统相移载波调制，保留原有稳态调制方式的效率和功率密度优势。
论文信息
参考文献
- Y. Wu, W. Zhao, Z. Zhu, and X. Wu, “Protection Strategy for Flying Capacitor Totem-Pole PFC under the AC Drop Transient,” IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), pp. 1995–2001, 2025.
- L. Bao, Y. Wu, and X. Wu, “Dual Sequence PSPWM Strategies for 5-level FCML Totem-pole PFC to Suppress Voltage Ringing across Flying Capacitors during Bus Voltage Recovering,” IEEE 3rd International Power Electronics and Application Symposium (PEAS), pp. 303–308, 2025.
