CN101813959B - 一种功率因数校正电路的控制装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种功率因数校正电路的控制装置及控制方法。功率因数校正电路(200)由输入电路(100)输入所驱动，控制装置包括：采样电路(300)、驱动电路(400)和控制电路(500)；所述控制电路(500)包括：处理单元(510)；所述采样电路(300)采集所述功率因数校正电路(200)的状态信号，并传送到所述处理单元(510)；所述处理单元(510)根据该状态信号控制所述控制电路(500)的输出参数，以控制所述驱动电路(400)；所述驱动电路(400)输出相应的驱动信号，以控制所述功率因数校正电路(200)。本发明的优点在于，其控制具有足够的相位裕量、宽的增益带宽，以及高增益。

Description

一种功率因数校正电路的控制装置及控制方法

技术领域

本发明涉及一种功率因数校正电路的控制装置及控制方法。

背景技术

目前的自动化的电气系统的结构如图1所示，执行相应功能的电路为功率因数校正电路200，通过采样电路300反馈其输出信号给控制电路500，以校正其功率因数(PF)，并获得想要达到的输出。

在通信电源产品领域，功率因数校正电路200为主功率电路，其所采用的电感磁芯绝大多数为铁粉芯、铁硅铝、非晶材料、铁氧体等。

通信电源产品的控制电路500，通常通过模拟或数字控制方式，来实现传统的PI控制。传统的PI控制方式具有实现简单，参数整定方便的优点。从目前产品和文献中记载来看，采用模拟或数字控制的通信电源产品，都采用固定增益的PI控制方式对功率因数校正电路200进行控制实现。

由于制作电感用的磁性材料自身固有的特性，其在直流磁化力下磁导率均有明显的下降，因此功率因数校正电路200的电感的电感值将随直流磁化力增大而减小。并且，由于功率因数校正电路200的电流环带宽与功率因数校正电路200的电感的电感值成反比，随着输出负载加大，直流磁化力将增大，导致功率因数校正电路200的电感的电感值下降，从而功率因数校正电路200电流环带宽不断增加。一般而言，在通信电源产品实际应用中当输出由空载不断加载至满载时，功率因数校正电路200的电感的电感值通常会有明显的下降，功率因数校正电路200的电流环带宽的改变导致控制环路难以在全负载范围内满足相位裕量及增益裕量要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种功率因数校正电路的控制装置及控制方法，使得使被控系统，即功率因数校正电路能达到最好的系统动态响应，最佳的源调整率和负载调整率及最好的稳定性。即理想控制系统的闭环Bode图应该包含三个特性：足够的相位裕量、宽的增益带宽，以及高增益。高的相位裕量用于阻尼振荡并缩短瞬态调节时间，宽的增益带宽允许电源系统快速响应输入电压和输出负载的突变，高增益用于保证良好的源调整率和负载调整率。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种功率因数校正电路的控制装置，包括：采样电路、驱动电路和控制电路；所述控制电路包括：处理单元；所述采样电路采集所述功率因数校正电路的状态信号，并传送到所述处理单元；所述处理单元根据该状态信号控制所述控制电路的输出参数，以控制所述驱动电路；所述驱动电路输出相应的驱动信号，以控制所述功率因数校正电路。

其中，该功率因数校正电路由输入电路输入所驱动。而所述功率因数校正电路的状态信号一般为其连续变化的物理量。当然，也可用数字化离散的方式进行采集其状态信号等。

采用上述技术方案的功率因数校正电路的控制装置，能根据功率因数校正电路在工作中相应状态的变化，如电解电容容量的改变、电感随直流偏置及频率、温度的改变等，所述控制电路也相应地调整其输出参数，来保证幅频穿越频率基本不变，以达到控制目的。

其中，控制所述控制电路的输出参数，包括采用相应的改变PI控制的比例系数的方法。

进一步来说，所述控制电路选择包括：被所述处理单元控制的Buck变换器、Buck-Boost变换器、Cuk变换器、Zeta变换器或者Sepic变换器。

进一步来说，所述控制电路包括：包含被所述处理单元控制的Boost变换器。

其中，所述处理单元选择包括：模拟控制器、数字控制器或者可编程控制器。

进一步来说，包括可编程控制器的所述处理单元进一步采用现场可编程门阵列(FPGA)。

进一步来说，采用模拟控制器的所述处理单元进一步采用拨码开关。

进一步来说，所述采样电路采集所述功率因数校正电路的状态信号包括：所述功率因数校正电路的电流信息。

进一步来说，所述采样电路还采集由所述输入电路输入到所述功率因数校正电路的电流和电压信息，并送于所述处理单元。

采用上述技术方案的功率因数校正电路的控制装置还能够：根据输入电路的输入电流和电压的改变，所述控制电路也相应地调整其输出参数，来保证幅频穿越频率基本不变，以达到控制目的。

本发明还提供了采用所述的功率因数校正电路的控制装置的控制方法，包括如下步骤：

A、采样电路(300)采集所述功率因数校正电路(200)的状态信号，并传送给处理单元(510)；

B、所述处理单元(510)根据该状态信号，控制所述控制电路(500)的输出参数，以控制所述驱动电路(400)；

C、所述驱动电路(400)输出相应的驱动信号，以控制所述功率因数校正电路(200)。

进一步来说，所述步骤B包括如下步骤：

B1、所述处理单元(510)判断出所述功率因数校正电路(200)的电流与分离值的大小关系；

B2、所述处理单元(510)根据所述功率因数校正电路(200)的电流与分离值的大小关系，拟合出所述功率因数校正电路(200)的电感值；

B3、所述处理单元(510)根据所述功率因数校正电路(200)的电感值，获得所述控制电路(500)的输出参数。

其中，所述功率因数校正电路的电流的分离值主要指其直流电流的分离值，这是因为所述功率因数校正电路的电感的电感值改变是因为流过其上的直流电流改变所造成的。而所述控制电路的输出参数在通常的实施例中，都是指PI控制的比例增益。

在“所述处理单元根据所述功率因数校正电路的电流与分离值的大小关系，拟合出所述功率因数校正电路的电感值”步骤中，拟合所述功率因数校正电路的电感值选择采用：简单线性拟合、分段线性拟合，或最小二乘法拟合。

与现有技术相比本发明的优点在于，能根据功率因数校正电路在工作中相应状态的变化，相应的调整其输出参数，来保证控制环路幅频特性曲线穿越频率基本不变，以达到具有足够的相位裕量、宽的增益带宽，以及高增益的控制目的。

附图说明

图1是现有技术的实施例的示意框图；

图2是本发明的功率因数校正电路的控制装置实施例的结构框图；

图3是功率因数校正电路电感磁芯的μ-H函数示意曲线；

图4是μ-H最佳拟合曲线；

图5是本发明的控制电路进行控制的实施例的流程图；

图6是本发明的功率因数校正电路的控制装置实施例的环路仿真波形图。

具体实施方式

下面结合附图和较佳的实施例对本发明作进一步说明。

如图2所示，功率因数校正电路200为一功率转换电路，由输入电路100输入的双半波直流所驱动。功率因数校正电路200的控制装置包括：采样电路300、驱动电路400和控制电路500。

其中，所述控制电路500包括：处理单元510；所述采样电路300采集所述功率因数校正电路200的状态信号，并传送到所述处理单元510；所述处理单元510根据该状态信号控制所述控制电路500的输出参数，以控制所述驱动电路400；所述驱动电路400输出相应的驱动信号，以控制所述功率因数校正电路200。

当然，所述采样电路300还能够采集由所述输入电路100输入到所述功率因数校正电路200的电流和电压信息，并送于所述处理单元510。

其中，所述控制电路500选择包括：被所述处理单元510控制的Boost变换器、Buck变换器、Buck-Boost变换器、Cuk变换器、Zeta变换器或者Sepic变换器。

所述控制电路500能够对功率因数校正电路200进行变PI PFC(功率因数校正)控制方案，以此来补偿在直流偏置下功率因数校正电路200所采用的电感的电感值下降导致其带宽增加的非线性，使得功率因数校正电路200的电流环在全负载范围内增益带宽保持在4～5kHz左右，具有一致的增益裕量和相位裕量，解决采用抗直流偏置能力差磁芯的功率因数校正电路200的电流环及THD(总谐波失真)优化难的现状。

其中，功率因数校正电路200的电感的材料性能μ值的改变，是由于功率因数校正电路200的直流电流的改变而发生了变化。因此，能够通过所述采样电路300检测功率因数校正电路200的电流值大小来判断当前的μ值的大小，并由处理单元510采用如拟合方式等计算并调整相应的PI控制器的比例增益。

首先计算推导磁芯μ-H曲线数学关系式并绘制函数关系对应的图形。其计算公式的典型形式如下：

$\%\mathrm{\μ}=\sqrt{\frac{a+\mathrm{cH}+e{H}^2}{1+\mathrm{bH}+{\mathrm{dH}}^2}}$

则，功率因数校正电路200的磁芯的μ-H函数曲线如图3所示。

如图4所示，根据图3所示的磁芯μ-H函数关系，能够拟合出最佳拟合曲线。

可供选择的拟合方式有简单线性拟合、分段线性拟合、最小二乘法拟合等。而图4所示的方式为，根据分段线性拟合取得的最优拟合曲线，其具体过程如下：

分离值Hopt的选择依据最小二乘法拟合，按理论μ-H函数关系与拟合μ-H函数关系的最小方差计算得出。所述的分离值Hopt是指μ-H曲线优化拟合后确定的两段直线的交点。

处理单元根据如图4所示的最佳拟合曲线，能够分别计算得两段拟合直线的斜率变化关系，并以此调节PI控制的比例增益。而其进行控制的过程，仍然可以参考图1所示的框图，采用反馈的方式进行。与现有技术不同的是，它能够根据功率因数校正电路200的具体工作情况，实时调整相应的PI控制的比例增益。

如图5所示，为本发明的控制电路的一种设定控制的实施例的流程图。首先，通过采样电路300对功率因数校正电路200的电流进行检测；然后，由处理单元510根据该采样电路300所传送的功率因数校正电路200的电流的状态信号，判断出功率因数校正电路200电流与分离值的大小关系，进行如图4所示的步骤，拟合计算相应μ-H值；其次，处理单元510根据拟合计算相应μ-H值，调节相应的PI控制的比例增益；再次，处理单元510对获得的相应的参数，如PI控制的比例增益进行限制。

如图6所示，仿真结果表明不同负载情况下电流环带宽保持在3～7kHz之间，相位裕量和增益裕量满足稳定性要求，且低频增益较大；兼顾系统的动静态指标要求。

总谐波失真(THD)对功率因数校正电路的电流环的本质要求是三、五、七等低次输入电压谐波处的幅频增益，因此应保证三、五、七等低次输入电压谐波处的低频增益基本不随电感量的变化而变化。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种功率因数校正电路（200）的控制装置，包括：采样电路（300）、驱动电路（400）和控制电路（500）；其特征在于，所述控制电路（500）包括：处理单元（510）；所述采样电路（300）采集所述功率因数校正电路（200）的状态信号，并传送到所述处理单元（510）；所述处理单元（510）根据该状态信号控制所述控制电路（500）的输出参数，以控制所述驱动电路（400）；所述驱动电路（400）输出相应的驱动信号，以控制所述功率因数校正电路（200）；所述采样电路（300）获取所述功率因数校正电路（200）的状态信号包括：所述功率因数校正电路（200）的电流信息；所述处理单元（510）通过所述采样电路（300）检测功率因数校正电路（200）的电流值大小来判断当前的电感材料性能μ值的大小，并由所述处理单元（510）计算并调整所述控制电路（500）中的PI控制器的比例增益。

2.如权利要求1所述的功率因数校正电路（200）的控制装置，其特征在于，所述功率因数校正电路（200）选择包括：Boost变换器、Buck变换器、Buck-Boost变换器、Cuk变换器、Zeta变换器，或Sepic变换器。

3.如权利要求2所述的功率因数校正电路（200）的控制装置，其特征在于，所述处理单元（510）选择包括：模拟控制器、单片机、现场可编程门阵列、数字控制器，或可编程逻辑控制器。

4.如权利要求3所述的功率因数校正电路（200）的控制装置，其特征在于，包括模拟控制器的所述处理单元（510）进一步采用拨码开关。

5.如权利要求1所述的功率因数校正电路（200）的控制装置，其特征在于，所述采样电路（300）还采集由所述输入电路（100）输入到所述功率因数校正电路（200）的电流和电压信息，并送于所述处理单元（510）。

6.采用如权利要求1至5中任一权利要求的功率因数校正电路（200）的控制装置的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

A、采样电路（300）采集所述功率因数校正电路（200）的状态信号，并传送给处理单元（510）；

B、所述处理单元（510）根据该状态信号，控制所述控制电路（500）的输出参数，以控制所述驱动电路（400）；

C、所述驱动电路（400）输出相应的驱动信号，以控制所述功率因数校正电路（200）；

其中，所述采样电路（300）获取所述功率因数校正电路（200）的状态信号包括：所述功率因数校正电路（200）的电流信息；所述处理单元（510）通过所述采样电路（300）检测功率因数校正电路（200）的电流值大小来判断当前的电感材料性能μ值的大小，并由所述处理单元（510）计算并调整所述控制电路（500）中的PI控制器的比例增益。

7.如权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述步骤B包括如下步骤：

B1、所述处理单元（510）判断出所述功率因数校正电路（200）的电流与分离值的大小关系；

B2、所述处理单元（510）根据所述功率因数校正电路（200）的电流与分离值的大小关系，拟合出所述功率因数校正电路（200）的电感值；

B3、所述处理单元（510）根据所述功率因数校正电路（200）的电感值，获得所述控制电路（500）的输出参数。

8.如权利要求7所述的控制方法，其特征在于，在所述步骤B2中，拟合所述功率因数校正电路（200）的电感值选择采用：简单线性拟合、分段线性拟合，或最小二乘法拟合。

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