CN101777828A - 带补偿的有源pfc的控制装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种带补偿的有源PFC的控制装置及其控制方法，带补偿的有源PFC的控制装置包括顺序相连的输入整流单元电路、PFC单元电路和滤波储能单元电路，输入电压采样电路与输入整流单元电路的输出并联，负载电流采样电路串联于PFC单元电路与输入整流单元电路之间，PFC输出电压的电压采样单元电路与滤波储能单元电路并联，PFC驱动电路与PFC单元电路相连，主控MCU分别与输入电压采样电路、PFC驱动电路和电压采样单元电路相连，主控MCU包括电压补偿修正系数模块、负载电流修正系数模块和压缩机参数修正模块三个模块中的任意一个或任意二个以上的组合。本发明具有操作灵活、降低干扰，减少损耗，减低成本的特点。

Description

带补偿的有源PFC的控制装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种带补偿的有源PFC的控制装置及其控制方法。

背景技术

目前在变频空调的控制领域内PFC被普遍使用，有源PFC也开始崭露头角。但现有的有源PFC都是使用半导体厂家的专用芯片制作，由于反馈与控制都是由硬件完成，故存在着一个较大的缺点，就是输出电压Vdc固定，且针对国内的220Vac电源，其输出电压Vdc设置较高，一般在380Vdc左右，这样在变频逆变时产生的干扰较大、损耗较大以及成本也较高，同时没有加入补偿，使得输出的纹波相对较大。

发明内容

本发明的目的旨在提供一种操作灵活、调整有源PFC的驱动控制信号的占空比及输出电压Vdc、降低干扰，减少损耗，减低成本的带补偿的有源PFC的控制装置及其控制方法，以克服现有技术中的不足之处。

按此目的设计的一种带补偿的有源PFC的控制装置，包括顺序相连的输入整流单元电路、PFC单元电路和滤波储能单元电路，输入电压采样电路与输入整流单元电路的输出并联，负载电流采样电路串联于PFC单元电路与输入整流单元电路之间，PFC输出电压的电压采样单元电路与滤波储能单元电路并联，PFC驱动电路与PFC单元电路相连，主控MCU分别与输入电压采样电路、PFC驱动电路和电压采样单元电路相连，其特征是主控MCU包括电压补偿修正系数模块、负载电流修正系数模块和压缩机参数修正模块三个模块中的任意一个或任意二个以上的组合。

所述电压补偿修正系数模块根据交流输入电压的峰值电压值Vp修正PFC控制脉冲信号的占空比，经过PFC驱动电路进而控制PFC单元电路，使其输出电压Vdc能跟随输入电压的峰值电压值Vp变化，满足：

Vdc＝(1+a)×Vp    ………………公式一，

a≥-0.4，a为与输入电压相关的修正系数，Vp越高，a值越小；

使得功率因数可以得到保证，同时输出电压又比较低，有效降低PFC控制电路及变频逆变电路的动态损耗及电磁兼容性EMC(Electro MagneticCompatibility)方面的干扰。

储能电容上存在电压纹波，在半周时间工频低相位角及高相位角时，若能人为地加大PFC的PWM占空比，可以有效提高输出电压Vdc的值，在半周时间工频中间相位角时，若能人为地减少PFC的PWM占空比，可以有效减少输出电压Vdc的值，这样反向矫正的最终效果是有效地减少了储能电容上的纹波，使得变频压缩机的控制更平稳。

根据PFC理论计算出的单个控制周期内的有效PFC驱动信号的占空比为Δ，为修正输出电压，减少其输出的纹波，加入第一修正系数β，

Δ1＝Δ+Ai×β，Δ1为实际控制占空比；

|β|≤1，第一修正系数β与输出储能单元的电解电容容值相关；

i为一个工频半波周期内的每个PFC脉冲的序列号；

Ai为对应序列的占空比的第二修正系数，其与纹波相关。

有了这种补偿修正以后就可以减少储能电容的电容量，从而降低成本。

所述负载电流修正系数模块根据负载电流采样电路采样得到的负载电流Irms值修正PFC的输出电压Vdc值；当负载电流较大时，表明压缩机的消耗功率会较大，输出电压Vdc值与PFC的目标值会相差越来越大，为消除这一偏差加入修正系数Vb，加入电流补偿修正系数，满足：

Vdc＝(1+a)×Vp+Vb    ………………公式二，

a≥-0.4，为输入电压修正系数，

Vb≥-10V，Vb为与负载电流相关的修正系数，当负载电流为小电流时，Vb为负，当负载电流为大电流时，Vb为正。

由于压缩机的特性差异，其线圈绕组的电阻是不一样的，因此其反电势常数也是不一样的；

所述压缩机参数修正模块根据压缩机运转频率Fw限制PFC的输出电压Vdc值，使其满足：

Vdc＝Ve×Fw+Vd    ………………公式三，

Ve为反电势常数；Vd为设计裕量，Vd≥10V。

由于设计裕量Vd的存在，压缩机在允许的运转频率范围内，就不会因电压不足而进入弱磁运行，从而有效提高了压缩机的运行效率。

所述输入电压采样电路为高速取样电路，其采样频率为10kHz以上，其实时采集工频交流电的整流后100Hz的正弦半波信号，经主控MCU的AD转换为数字信号V_AD后，由主控MCU判断工频电压的过零点T0和峰值电压值Vp。

所述电压采样单元电路采样的PFC输出电压Vdc经主控MCU的AD转换为数字信号V_AD1，作为根据需要进行可调整设定的调控目标值参与主控MCU的控制处理。

电压采样单元电路为PFC输出电压Vdc的采集电路，经主控MCU的AD转换为数字信号V_AD1后，作为控制目标值参与后续的调整。

在理想状态下，Vdc值以使空调器的变频压缩机在实时的运转频率下不造成电压不足，不需要弱磁扩频，这时Vdc较低，变频逆变的动态损耗最低，同时PWM的占空比也合适；针对PFC变换，电压越低，同样其动态损耗会降低；但另一方面，当Vdc太低时不适合功率因数的提高。

我们设定PFC控制以Vdc能满足压缩机不弱磁运行，同时功率因数不低于0.97为目标，二者兼顾。一般情况下，在工频信号70度相位左右到110度相位左右期间关闭PFC，功率因数可以满足目标。当输入电压Vac较低同时压缩机运转频率Fw也较高时，Vdc需要对应设定较高，PFC控制不仅提升电压Vdc，同时可以使功率因数接近于1；当输入电压Vac较高同时压缩机运转频率Fw较低时，设定较低的Vdc目标，以使PFC的控制损耗及变频压缩机的逆变损耗降低，当负载电流I低于预定值I1时，此时PFC的驱动PWM脉冲的占空比较小，可以通过降低PFC的斩波频率，提高PFC的驱动脉冲的脉宽，降低PFC的动态损耗，同时能有效降低EMC干扰。

其中，预定值I1为负载电流值，为PFC控制频率进行改变的阀值，由控制程序预先设定，具体数值根据空调器的实际测试结果确定；PWM信号为脉冲宽度调制信号。

在实际操作中，为避免PFC斩波频率的频繁变动，实际设置一个迟滞回差控制，当负载电流I高于预定值I1+0.5A时，回复正常的斩波频率。

一种带补偿的有源PFC的控制装置的控制方法，其特征是输出电压Vdc的实际取值根据主控MCU所包含的模块而定，

当主控MCU包括电压补偿修正系数模块、负载电流修正系数模块和压缩机参数修正模块三个模块中的任意一个时，以该一个模块修正后得到的输出电压作为实际取值；

或者，当主控MCU包括电压补偿修正系数模块、负载电流修正系数模块和压缩机参数修正模块三个模块中的任意二个时，以该任意二个模块分别修正后得到的二个输出电压中的较大值作为实际取值；

或者，当主控MCU同时包括电压补偿修正系数模块、负载电流修正系数模块和压缩机参数修正模块三个模块时，以该三个模块分别修正后得到的三个输出电压中的最大值作为实际取值。

所述输入电压采样电路工作时，设定一个阀值N，对应V_AD小于N的时段为过零时段，则V_AD在过零时段的首端跨越N的时刻点，判断为过零点T0；在V_AD的两个过零点之间的V_AD的最大值为Vp值；在T0时刻过后的t1秒内，PFC驱动脉冲宽度调制信号PWM禁止输出，用以防止PFC的交越过零，同时作为占空比调整的起点，Vp值参与后续的修正；其中，N为自然数，N值与Vp值相关联，Vp不同对应N值不同，Vp值在工作范围内分为n段，对应n个不同的N值。

所述负载电流较小时，可以降低PFC的斩波频率。

本发明使用单片机，提出了三种修正模块，通过软件进行控制，调整有源PFC的驱动控制信号的占空比及输出电压Vdc，用于改善背景技术中的不良特性，具有操作灵活、降低干扰、减少损耗和减低成本的特点。

附图说明

图1为本发明一实施例的工作原理框图。

图2为100Hz的正弦半波波形图。

图中：1为PFC单元电路，2为滤波储能单元电路，3为输入整流单元电路，4为负载电流采样电路，6为输入电压采样电路，7为电压采样单元电路，8为主控MCU，9为电压补偿修正系数模块，10为负载电流修正系数模块，11为压缩机参数修正模块，12为PFC驱动电路。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述。

参见图1-图2，本带补偿的有源PFC的控制装置，包括输入顺序相连的整流单元电路3、PFC单元电路1和滤波储能单元电路2，输入电压采样电路6与输入整流单元电路3的输出并联，负载电流采样电路4串联于PFC单元电路1与输入整流单元电路3之间，电压采样单元电路7与滤波储能单元电路2并联，PFC驱动电路12与PFC单元电路1相连；主控MCU8分别与输入电压采样电路6、PFC驱动电路12和与电压采样单元电路7相连。

输入电压采样电路6为高速取样电路，可以实时采集工频交流电的整流后100Hz的正弦半波信号，经主控MCU8的AD采样后转换为数字信号V_AD，由主控MCU8判断工频电压的过零点T0和峰值电压值Vp：当V_AD≤N时，其中N为自然数，N值与Vp值相关联，其采样时刻为零点(其中已经包含了AD转换的延时与程序执行导致的延时影响)，在T0时刻过后的t1秒内，PFC驱动PWM信号停止输出，用以防止PFC的交越过零，同时作为占空比调整的起点。

电压采样单元电路7为PFC输出电压Vdc的采集电路，经主控MCU8的AD采样转换为数字信号V_AD1。

设定PFC控制以Vdc能满足压缩机不弱磁运行，同时功率因数不低于0.97为目标，二者兼顾，取较大者。一般情况下，在工频信号70度相位左右到110度相位左右期间关闭PFC，功率因数可以满足目标。当输入电压Vac较低同时压缩机运转频率Fw较高时，Vdc可以对应设定较较高，PFC控制不仅提升电压Vdc，同时可以使功率因数接近于1，其中，Vac等于Vp值的0.707倍；当输入电压Vac较高同时压缩机运转频率较低时，设定较低的Vdc目标，以使PFC的控制损耗及变频压缩机的逆变损耗降低；当负载电流I低于程序内置的预定值11时，此时PFC的驱动PWM脉冲的占空比较小，可以通过降低PFC的斩波频率，提高PFC的驱动脉冲的脉宽，降低PFC的动态损耗，同时能有效降低EMC干扰。

以下就主控MCU8同时包括电压补偿修正系数模块9、负载电流修正系数模块10和压缩机参数修正模块11三个模块时的情形具体说明：

电压补偿修正系数9根据交流输入电压的峰值Vp值修正PFC控制脉冲信号的占空比，使其输出电压Vdc能跟随输入电压Vp变化，记为Vdc1，有：Vdc1＝(1+a)×Vp；

其中，a≥-0.4，a为与输入电压相关的修正系数，Vp越高，a取值越小，a的最小值大于等于-0.4。

实际应用时，当输入交流电压为220Vac市电时，此时Vp＝311V，根据空调器的实际使用需要，a值取-0.1，对应的Vdc1＝280V；当输入交流电压为250Vac市电时，此时Vp＝354V，根据空调器的实际使用需要，a值取-0.15，对应的Vdc1＝301V；当输入交流电压为150Vac市电时，此时Vp＝212V，根据空调器的实际使用需要，a值取+0.1，对应的Vdc1＝233V。

使得功率因数可以得到保证，同时输出电压又相对较低，有效降低PFC控制电路及变频逆变电路的动态损耗及EMC方面的干扰。

储能电容上存在电压纹波修正补偿减少储能电容上的纹波，使得变频压缩机的控制更平稳。根据PFC理论计算出的单个控制周期内的有效PFC驱动信号的占空比为Δ，为修正输出电压，减少其输出的纹波，加入第一修正系数β，

Δ1＝Δ+Ai×β，Δ1为实际控制占空比；

|β|≤1，第一修正系数β与输出储能单元的电解电容容值相关；

i为一个工频半波周期内的每个PFC脉冲的序列号；

Ai为对应序列的占空比的第二修正系数，其与纹波相关。

实际电容值越大，β值越小，因为电容越大，相应的电容上的电压纹波小，需要调节的量就变小；当电容变小时若不加修正补偿，则电容上的电压纹波会变大，增大第一修正系数进行补偿，则使得电容上的电压纹波变小。第二修正系数Ai则根据实际的修正补偿测试结果确定，因为电容上的纹波类似三角波，Ai的修正就使用对应的策略进行修正补偿，使得纹波幅度减小，Ai值在220Vac情况下进行测试确定。Ai的列数，也就是A1、A2、......、Ai，与整流半波内的斩波数一致。

有了这种补偿修正以后就可以适当减少储能电容的电容量，降低成本。

主控MCU8中包括一个负载电流修正系数模块10，负载电流修正系数模块根据负载电流采样电路4采样得到的负载电流Irms值修正PFC的输出电压Vdc值；当负载电流较大时，表明压缩机的消耗功率会较大，输出电压Vdc值与PFC的目标值会相差越来越大，为消除这一偏差加入修正系数Vb，加入电流补偿修正系数，满足：

Vdc2＝(1+a)×Vp+Vb；

a≥-0.4，为输入电压修正系数，

Vb≥-10V，Vb为与负载电流相关的修正系数，当负载电流为小电流时，Vb为负，当负载电流为大电流时，Vb为正。

实际应用时，当电流I＝5A时，Vb＝0；当电流＝9A时，Vb＝5V；当电流I＝2A时，Vb＝-5V。

主控MCU8中包括一个压缩机参数修正模块11，压缩机参数修正模块根据压缩机运转频率Fw限制PFC的输出电压Vdc值，记为Vdc3；

并有：Vdc3＝Ve×Fw+Vd，

其中：Ve为反电势常数；Vd为设计裕量，Vd≥10V，

实际应用时，某款空调压缩机的Ve＝1.37Vrms/rps，压缩机的运行频率Fw的范围为：10～200Hz，由此可以确定Vdc3在不同运转频率下的数值。

由于设计裕量Vd的存在，压缩机在允许的运转频率范围内，就不会因电压不足而进入弱磁运行，有效提高了压缩机的运行效率。

本实施例中的带补偿的有源PFC的控制装置由于同时具有电压补偿修正系数模块9、负载电流修正系数模块10和压缩机参数修正模块11三个模块，故主控MCU根据Vdc1、Vdc2、Vdc3值的大小，取其中的最大值作为目标进行PFC控制。

Claims (9)

1.一种带补偿的有源PFC的控制装置，包括顺序相连的输入整流单元电路(3)、PFC单元电路(1)和滤波储能单元电路(2)，输入电压采样电路(6)与输入整流单元电路的输出并联，负载电流采样电路(4)串联于PFC单元电路与输入整流单元电路之间，PFC输出电压的电压采样单元电路(7)与滤波储能单元电路并联，PFC驱动电路(12)与PFC单元电路相连，主控MCU(8)分别与输入电压采样电路、PFC驱动电路和电压采样单元电路相连，其特征是主控MCU包括电压补偿修正系数模块(9)、负载电流修正系数模块(10)和压缩机参数修正模块(11)三个模块中的任意一个或任意二个以上的组合。

2.根据权利要求1所述的带补偿的有源PFC的控制装置，其特征是所述电压补偿修正系数模块(9)根据交流输入电压的峰值电压值Vp修正PFC控制脉冲信号的占空比，经过PFC驱动电路(12)进而控制PFC单元电路(1)，使其输出电压Vdc能跟随输入电压的峰值电压值Vp变化，满足：

Vdc＝(1+a)×Vp       ..................公式一，

a≥-0.4，a为与输入电压相关的修正系数，Vp越高，a值越小；

根据PFC理论计算出的单个控制周期内的有效PFC驱动信号的占空比为Δ，为修正输出电压，减少其输出的纹波，加入第一修正系数β，

Δ1＝Δ+Ai×β，Δ1为实际控制占空比；

|β|≤1，第一修正系数β与输出储能单元的电解电容容值相关；

i为一个工频半波周期内的每个PFC脉冲的序列号；

Ai为对应序列的占空比的第二修正系数，其与纹波相关。

3.根据权利要求1所述的带补偿的有源PFC的控制装置，其特征是所述负载电流修正系数模块(10)根据负载电流采样电路(4)采样得到的负载电流Irms值修正PFC的输出电压Vdc值；当负载电流较大时，表明压缩机的消耗功率会较大，输出电压Vdc值与PFC的目标值会相差越来越大，为消除这一偏差加入修正系数Vb，加入电流补偿修正系数，满足：

Vdc＝(1+a)×Vp+Vb     ..................公式二，

a≥-0.4，为输入电压修正系数，

Vb≥-10V，Vb为与负载电流相关的修正系数，当负载电流为小电流时，Vb为负，当负载电流为大电流时，Vb为正。

4.根据权利要求1所述的带补偿的有源PFC的控制装置，其特征是所述压缩机参数修正模块(11)根据压缩机运转频率Fw限制PFC的输出电压Vdc值，使其满足：

Vdc＝Ve×Fw+Vd          ..................公式三，

Ve为反电势常数；Vd为设计裕量，Vd≥10V。

5.根据权利要求1所述的带补偿的有源PFC的控制装置，其特征是所述输入电压采样电路(6)为高速取样电路，其采样频率为10kHz以上，其实时采集工频交流电的整流后100Hz的正弦半波信号，经主控MCU(8)的AD转换为数字信号V_AD后，由主控MCU判断工频电压的过零点T0和峰值电压值Vp。

6.根据权利要求1所述的带补偿的有源PFC的控制装置，其特征是所述电压采样单元电路(7)采样的PFC输出电压Vdc经主控MCU(8)的AD转换为数字信号V_AD1，作为根据需要进行可调整设定的调控目标值参与主控MCU的控制处理。

7.一种如权利要求1所述的带补偿的有源PFC的控制装置的控制方法，其特征是输出电压Vdc的实际取值根据主控MCU(8)所包含的模块而定，

当主控MCU包括电压补偿修正系数模块(9)、负载电流修正系数模块(10)和压缩机参数修正模块(11)三个模块中的任意一个时，以该一个模块修正后得到的输出电压作为实际取值；

或者，当主控MCU包括电压补偿修正系数模块(9)、负载电流修正系数模块(10)和压缩机参数修正模块(11)三个模块中的任意二个时，以该任意二个模块分别修正后得到的二个输出电压中的较大值作为实际取值；

或者，当主控MCU同时包括电压补偿修正系数模块(9)、负载电流修正系数模块(10)和压缩机参数修正模块(11)三个模块时，以该三个模块分别修正后得到的三个输出电压中的最大值作为实际取值。

8.根据权利要求7所述的带补偿的有源PFC的控制装置的控制方法，其特征是所述输入电压采样电路(6)工作时，设定一个阀值N，对应V_AD小于N的时段为过零时段，则V_AD在过零时段的首端跨越N的时刻点，判断为过零点T0；在V_AD的两个过零点之间的V_AD的最大值为Vp值；在T0时刻过后的t1秒内，PFC驱动脉冲宽度调制信号PWM禁止输出，用以防止PFC的交越过零，同时作为占空比调整的起点，Vp值参与后续的修正；其中，N为自然数，N值与Vp值相关联，Vp不同对应N值不同，Vp值在工作范围内分为n段，对应n个不同的N值。

9.根据权利要求7所述的带补偿的有源PFC的控制装置的控制方法，其特征是所述负载电流较小时，可以降低PFC的斩波频率。

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