CN101867283B - 一种改进功率因数校正控制特性的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种改进功率因数校正(PFC)控制特性的方法，包括：在PFC的控制电路中增设控制环节，所述控制环节实现的运算为：

其中，V_comp表示PFC中的电压环的比例积分调节器(PI)的调节输出，V_rms表示输入电压的有效值；当PFC的类型为直接式PFC时，n的取值为2；当PFC的类型为间接式PFC时，n的取值为3；PFC运行时，通过包含所述控制环节的控制电路实现控制增益的线性化。本发明同时公开了一种改进PFC控制特性的装置，采用本发明的方法及装置，能明显改善PFC的动态响应特性及环路的稳定性。

Description

一种改进功率因数校正控制特性的方法及装置

技术领域

本发明涉及功率因数校正(PFC，Power Factor Correction)技术，特别是指一种改进PFC控制特性的方法及装置。

背景技术

目前，大多数交流、或直流变换器都具有主动式PFC的功能，从而使功率因数大大提高，并且在技术的实现上也较为成熟，最常用的PFC方法按照电流正弦的调制方式可分为直接式和间接式。但是，由于PFC的电压环带宽小于20Hz，因而造成PFC的动态响应特性较差，进而造成环路的稳定性较差。

现有技术中，改善PFC控制特性的方法主要有输入电压前馈方法和控制增益非线性补偿方法。一般，输入电压前馈方法主要用于直接式PFC中，控制增益非线性补偿方法主要用于间接式PFC中。但是，这两种方法只能在一定程度上改善PFC的控制特性，并不能使PFC的输入与输出完全呈线性关系，也就是说，输入电压前馈方法和控制增益非线性补偿方法并不能获得非常好的环路稳定性及动态响应特性。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种改进PFC控制特性的方法及装置，能更好的改善PFC的环路稳定性及动态响应特性。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

本发明提供了一种改进PFC控制特性的方法，该方法包括：

在PFC的控制电路中增设控制环节，所述控制环节实现的运算为：

其中，V_comp表示PFC中的电压环的比例积分调节器(PI)的调节输出，V_rms表示输入电压的有效值；

PFC运行时，通过包含所述控制环节的控制电路实现控制增益的线性化。

上述方案中，当PFC的类型为直接式PFC时，所述n的取值为2；

当PFC的类型为间接式PFC时，所述n的取值为3。

上述方案中，所述实现控制增益的线性化，具体为：

通过包含所述控制环节的控制电路，实现在一定负载的条件下，ΔVcomp与ΔVout呈线性关系；其中，ΔVcomp表示PFC的PI的输入变化量，ΔVout表示PFC的电压输出变化量。

本发明还提供了一种改进PFC控制特性的装置，该装置包括：设置模块及控制电路；其中，

设置模块，用于在PFC的控制电路中增设控制环节；

所述控制环节实现的运算为：

其中，V_comp表示PFC中的电压环的PI的调节输出，V_rms表示输入电压的有效值；

控制电路，用于被设置模块增设控制环节，并在设置完成后，实现控制增益的线性化。

上述方案中，所述装置还包括主电路，用于使功率因数等于1。

上述方案中，当PFC的类型为直接式PFC时，所述控制环节包括两个乘法器及一个除法器，两个乘法器的输出端分别与除法器的输入端相连接。

上述方案中，当PFC的类型为间接式PFC时，所述控制环节包括三个乘法器及一个除法器，第一个乘法器的输出端与第二个乘法器的输入端相连接，第二个乘法器的输出端与除法器的输入端相连接，第三个乘法器的输出端与除法器的输入端相连接。

上述方案中，所述控制电路具体用于：

用于被设置模块增设控制环节，并在设置完成后，实现在一定负载的条件下，ΔVcomp与ΔVout呈线性关系。

本发明提供的改进PFC控制特性的方法及装置，在PFC的控制电路中增设控制环节，并且，不同类型的PFC的控制环节所实现的运算不同；PFC运行时，通过包含所述控制环节的控制电路实现控制增益的线性化，如此，能明显改善PFC的动态响应特性及环路的稳定性，进而为变换器能设置较低的总谐波失真(THD，Total Harmonic Distortion)提供保证。

附图说明

图1为本发明改进PFC控制特性的方法流程示意图；

图2为本发明实施例一的电路原理示意图；

图3为本发明实施例二的电路原理示意图；

图4为本发明改进PFC控制特性的装置结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明再作进一步详细的说明。

本发明改进PFC控制特性的方法如图1所示，包括以下步骤：

步骤101：在PFC的控制电路中增设控制环节，所述控制环节实现的运算为：

其中，V_comp表示PFC中的电压环的PI的调节输出，V_rms表示输入电压的有效值；当PFC的类型为直接式PFC时，n的取值为2；当PFC的类型为间接式PFC时，n的取值为3，之后执行步骤102；

这里，增设控制环节的理论依据为：

依据自动控制理论，当PFC的输入与输出成唯一的对应关系，并且最好呈线性关系时，PFC的环路具有较好的稳定性及动态响应特性。

步骤102：PFC运行时，通过包含所述控制环节的控制电路实现控制增益的线性化；

这里，所述控制增益是指PFC的输出与输入的比值；

所述实现控制增益的线性化，具体为：

通过包含所述控制环节的控制电路，可以实现在一定负载的条件下，ΔVcomp与ΔVout呈线性关系，与输入的电压无关，ΔVcomp表示PFC的PI的输入变化量，ΔVout表示PFC的电压输出变化量，即：PFC的输入与输出呈线性关系，即可实现控制增益的线性化；所述控制增益的线性化就是指PFC的输出与输入的比值为一个常数。

下面结合附图及具体实施例对本发明再作进一步详细的说明。

实施例一：

本实施例基于UC3854的PFC、或类似直接式PFC，具体实施方式在电压环输出增加本发明所述的控制环节。如图2所示，整个PFC电路包括：方框A1表示的主电路和方框B1表示的控制集成电路(IC)。本发明的控制环节主要在控制IC部分实施，具体由U2、U3、U4三部分组成；其中，U2和U3为乘法器，U4为除法器。U1、U5以及U6为此类型PFC固有的控制环节，其中，U1为电压环的PI调节器，U5为电流环的PI调节器，U6为驱动脉冲产生环节。

如图2所示，各个控制环节之间的具体连接方式为：PFC的输出电压采样(V_out)和电压给定信号(V_ref)经过U1的PI运算环节处理后，U1的输出同时连接到U2的两个输入端；交流电压的有效值信号(V_rms)直接连接到U3的两个输入端，U3的输出信号和U2的输出信号直接连接到U4的两个输入端，U4的输出和电流采样信号作为U5的输入进行PI调节运算，U5的输出送至U6，产生驱动脉冲信号，脉冲信号控制开关管VT1的通断。其中，可以采用平均值信号代替V_rms；其中，U2的作用是将U1的PI运算环节处理后的输出信号相乘，得到V_comp ²，即：U2的输出信号为V_comp ²，U3的作用是将交流电压的有效值信号相乘，得到V_rms ²，即：U3的输出信号为V_rms ²，U4的作用是将U2与U3的输出信号相除，得到V_comp ²/V_rms ²，即：U4的输出信号为V_comp ²/V_rms ²。

下面对公式进行推导，以证明使用本发明的控制环节可以实现控制增益的线性化。

直接式PFC的基础控制公式为：

R_s·I_L＝V_in·F(V_comp，V_rms)                             (1)

两边乘以V_in并移项，得

$V_{\mathrm{in}}\·I_L=\frac{{V_{\mathrm{in}}}^2\·F(V_{\mathrm{comp}},V_{\mathrm{rms}})}{R_s}---\left(2\right)$

在Δt时间内两边积分，则

${\∫}_T^{T+\mathrm{\Δt}}{V}_{\mathrm{in}}\·I_L\·\mathrm{dt}={\∫}_T^{T+\mathrm{\Δt}}\frac{{V_{\mathrm{in}}}^2\·F(V_{\mathrm{comp}},V_{\mathrm{rms}})}{R_s}\·\mathrm{dt}---\left(3\right)$

其中，R_s为PFC的电流检测电阻，V_in为整流桥输出、PFC的直接输入电压，I_L为PFC的电感电流。

如果忽略PFC电感的高频部分，且假设功率因数为1，则无论对于平均电流或是峰值电流，依据输入输出功率平衡原则，并考虑到效率，则

${\∫}_T^{T+\mathrm{\Δt}}{K}_1\·\frac{{V_{\mathrm{out}}}^2}{R_L}\·\mathrm{dt}={\∫}_T^{T+\mathrm{\Δt}}\frac{{V_{\mathrm{in}}}^2\·F(V_{\mathrm{comp}},V_{\mathrm{rms}})}{R_s}\·\mathrm{dt}---\left(4\right)$

其中，R_L为某稳态点的等效负载电阻，K₁为比例系数；考虑到电压环的带宽一般小于20Hz，因此，当Δt≥50ms时，则近似有下面的等式成立：

${\∫}_T^{T+\mathrm{\Δt}}{K}_1\·\frac{{V_{\mathrm{out}}}^2}{R_L}\·\mathrm{dt}=K_2\·{V_{\mathrm{rms}}}^2{\∫}_T^{T+\mathrm{\Δt}}\frac{F(V_{\mathrm{comp}},V_{\mathrm{rms}})}{R_s}\·\mathrm{dt}---\left(5\right)$

将代入公式(5)，得

${\∫}_T^{T+\mathrm{\Δt}}{K}_1\·\frac{{V_{\mathrm{out}}}^2}{R_L}\·\mathrm{dt}=K_2\·{V_{\mathrm{rms}}}^2{\∫}_T^{T+\mathrm{\Δt}}\frac{V_{\mathrm{comp}}^2}{R_s\·V_{\mathrm{rms}}^2}\·\mathrm{dt}=K_2\·{\∫}_T^{T+\mathrm{\Δt}}\frac{V_{\mathrm{comp}}^2}{R_s}\·\mathrm{dt}---\left(6\right)$

从公式(6)中可以看出，在负载电阻一定时，即：R_s一定时，

ΔV_comp∝ΔV_out，即：ΔVcomp与ΔVout呈线性关系。

实施例二：

本实施例基于ICE1PCS01、IR1150、或者类似间接式PFC，具体实施方式在电压环输出增加本发明所述的控制环节。如图3所示，整个PFC电路包括：方框A2表示的主电路部分和方框B2表示的控制IC。本发明的措施主要在控制IC部分实施，具体由U2、U3、U4、U5四部分组成；其中，U2、U3、U4为乘法器，U5为除法器。U1及U6为此类型PFC固有的控制环节，其中，U1为电压环的PI调节器，U6为驱动脉冲产生环节；其中，U2的作用是将U1的PI运算环节处理后的输出信号相乘，得到V_comp ²，即：U2的输出信号为V_comp ²，即：U2的输出信号为V_comp ²，U3的作用是将U1的PI运算环节处理后的输出信号与U2的输出信号相乘，得到V_comp ³，U4的作用是将交流电压的有效值信号相乘，得到V_rms ²，即：U4的输出信号为V_rms ²，U5的作用是将U3与U4的输出信号相除，得到V_comp ³/V_rms ²，即：U5的输出信号为V_comp ³/V_rms ²。

如图3所示，各个控制环节之间的具体连接方式为：PFC输出电压采样(V_out)和电压给定信号(V_ref)经过U1的PI运算环节处理后，U1的输出同时连接到U2的两个输入端和U3的一个输入端，U2的输出连接到U3的另外一个输入端；交流电压的有效值信号(V_rms)直接连接到U4的两个输入端，U4的输出信号和U3的输出信号直接连接到U5的两个输入端，U5的输出送至U6，进行逻辑处理和产生驱动脉冲信号，脉冲信号控制开关管VT1的通断。其中，可以采用平均值信号代替V_rms。

下面对公式进行推导，以证明使用本发明的控制环节可以实现控制增的益线性化。

ICE1PCS01这种类型PFC的基础控制公式为：

$I_L=k\·\stackrel{\‾}{d}---\left(7\right)$

两边乘以R_s，对于ICE1PCS01这种类型的PFC，则有

替换掉得

$I_L\·R_s=\frac{k\·V_{\mathrm{in}}\·F(V_{\mathrm{comp}},V_{\mathrm{rms}})}{V_{\mathrm{out}}}---\left(8\right)$

两边乘以V_in并移项，在Δt时间内两边积分，则

${\∫}_T^{T+\mathrm{\Δt}}{V}_{\mathrm{in}}\·I_L\·\mathrm{dt}={\∫}_T^{T+\mathrm{\Δt}}\frac{{V_{\mathrm{in}}}^2\·F\left(V_{\mathrm{comp}}{V}_{\mathrm{rms}}\right)}{R_s\·V_{\mathrm{out}}}\·\mathrm{dt}---\left(9\right)$

其中，

为负占空比，定义

R_s为PFC的电流检测电阻，V_in为整流桥输出、PFC的直接输入电压，I_L为PFC的电感电流。

如果忽略PFC电感的高频部分，且假设功率因数为1，则无论对于平均电流或是峰值电流，依据输入输出功率平衡原则，并考虑到效率，则

${\∫}_T^{T+\mathrm{\Δt}}{K}_1\·\frac{{V_{\mathrm{out}}}^2}{R_L}\·\mathrm{dt}={\∫}_T^{T+\mathrm{\Δt}}\frac{{V_{\mathrm{in}}}^2\·F(V_{\mathrm{comp}},V_{\mathrm{rms}})}{R_s\·V_{\mathrm{out}}}\·\mathrm{dt}---\left(10\right)$

其中，R_L为某稳态点的等效负载电阻，K₁为比例系数；考虑到电压环的带宽一般小于20Hz，因此，当Δt≥50ms时，则近似有下面的等式成立：

${\∫}_T^{T+\mathrm{\Δt}}{K}_1\·\frac{{V_{\mathrm{out}}}^3}{R_L}\·\mathrm{dt}=K_2\·{V_{\mathrm{rms}}}^2\·{\∫}_T^{T+\mathrm{\Δt}}\frac{F(V_{\mathrm{comp}},V_{\mathrm{rms}})}{R_s}\·\mathrm{dt}---\left(11\right)$

将

代入公式(11)，得

${\∫}_T^{T+\mathrm{\Δt}}{K}_1\·\frac{{V_{\mathrm{out}}}^3}{R_L}\·\mathrm{dt}=K_2\·{V_{\mathrm{rms}}}^2\·{\∫}_T^{T+\mathrm{\Δt}}\frac{V_{\mathrm{comp}}^3}{R_s\·V_{\mathrm{rms}}^2}\·\mathrm{dt}=K_2\·{\∫}_T^{T+\mathrm{\Δt}}\frac{V_{\mathrm{comp}}^3}{R_s}\·\mathrm{dt}---\left(12\right)$

从公式(12)可以看出，在负载电阻一定时，即：R_s一定时，

ΔV_comp∝ΔV_out，即：ΔVcomp与ΔVout呈线性关系。

IR1150这种类型PFC的基础控制公式为：

$F(V_{\mathrm{comp}},V_{\mathrm{rms}})=\frac{V_{\mathrm{out}}\·R_s}{R_e}---\left(13\right)$

定义

替换掉R_e，则

$F(V_{\mathrm{comp}},V_{\mathrm{rms}})=\frac{V_{\mathrm{out}}\·R_s\·I_L\·V_{\mathrm{in}}}{{V_{\mathrm{in}}}^2}---\left(14\right)$

在Δt时间内两边积分，则

${\∫}_T^{T+\mathrm{\Δt}}f(V_{\mathrm{comp}},V_{\mathrm{rms}})\·\mathrm{dt}={\∫}_T^{T+\mathrm{\Δt}}\frac{V_{\mathrm{out}}\·R_s\·I_L\·V_{\mathrm{in}}}{{V_{\mathrm{in}}}^2}\·\mathrm{dt}---\left(15\right)$

其中，R_e为PFC变换器等效电阻，R_s为PFC的电流检测电阻，V_in为整流桥输出、PFC的直接输入电压，I_L为PFC的电感电流。

如果忽略PFC电感的高频部分，且假设功率因数为1，则无论对于平均电流或是峰值电流，依据输入输出功率平衡原则，并考虑到效率，则

${\∫}_T^{T+\mathrm{\Δt}}F(V_{\mathrm{comp}},V_{\mathrm{rms}})\·\mathrm{dt}={\∫}_T^{T+\mathrm{\Δt}}\frac{{V_{\mathrm{out}}}^3\·R_s}{{V_{\mathrm{in}}}^2\·R_L}\·\mathrm{dt},---\left(16\right)$

其中，R_L为某稳态点的等效负载电阻，K₁为比例系数；考虑到电压环的带宽一般小于20Hz，因此，当Δt≥50ms时，并将

代入公式(16)，则近似有下面的等式成立。

${\∫}_T^{T+\mathrm{\Δt}}\frac{{V_{\mathrm{comp}}}^3}{{V_{\mathrm{rms}}}^2}\·\mathrm{dt}=K_1\·\frac{1}{{V_{\mathrm{rms}}}^2}\·{\∫}_T^{T+\mathrm{\Δt}}\frac{{V_{\mathrm{out}}}^3\·R_s}{R_L}\·\mathrm{dt}---\left(17\right)$

从公式(17)可以看出，在负载电阻一定时，即：R_s一定时，

ΔV_comp∝ΔV_out，即：ΔVcomp与ΔVout呈线性关系。

本发明所述控制环节的实现方式可以采用数字信号处理器的数字控制，还可以采用模拟电路。

本发明提供的方案，不仅适用于传统的PFC模式，还可适用于交错PFC、或无桥PFC。按照电流类型分类来说，本发明提供的方案既可适用于峰值电流型PFC，还可适用于平均电流型PFC；按照电感电流类型分类来说，本发明提供的方案不仅适用于电感电流连续模式的PFC，还可适用于电感电流断续模式的PFC；按照供电方式分类来说，本发明提供的方案不仅适用于单相PFC，还可适用于三相PFC。

基于上述方法，本发明还提供了一种改进PFC控制特性的装置，如图4所示，该装置包括：设置模块41及控制电路42；其中，

设置模块41，用于在PFC的控制电路42中增设控制环节；

所述控制环节实现的运算为：

其中，V_comp表示PFC中的电压环的PI的调节输出，V_rms表示输入电压的有效值；当PFC为直接式PFC时，n的取值为2；当PFC为间接式PFC时，n的取值为3；

控制电路42，用于被设置模块41增设控制环节，并在设置完成后，实现控制增益的线性化。

其中，所述装置还可以包括主电路，用于使功率因数等于1。

其中，当PFC的类型为直接式PFC时，所述控制环节包括两个乘法器及一个除法器，两个乘法器的输出端分别与除法器的输入端相连接；当PFC的类型为间接式PFC时，所述控制环节包括三个乘法器及一个除法器，第一个乘法器的输出端与第二个乘法器的输入端相连接，第二个乘法器的输出端与除法器的输入端相连接，第三个乘法器的输出端与除法器的输入端相连接。

所述控制电路42，具体用于：

用于被设置模块41增设控制环节，并在设置完成后，实现在一定负载的条件下，ΔVcomp与ΔVout呈线性关系。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种改进功率因数校正（PFC）控制特性的方法，其特征在于，该方法包括：

在PFC的控制电路中增设控制环节，所述控制环节实现的运算为：

其中，V_comp表示PFC中的电压环的比例积分（PI）调节器的调节输出，V_rms表示输入电压的有效值；

PFC运行时，通过包含所述控制环节的控制电路实现控制增益的线性化；

当PFC的类型为直接式PFC时，所述n的取值为2；

当PFC的类型为间接式PFC时，所述n的取值为3。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述实现控制增益的线性化，具体为：

通过包含所述控制环节的控制电路，实现在一定负载的条件下，ΔVcomp与ΔVout呈线性关系；其中，ΔVcomp表示PFC的比例积分调节器的输入变化量，ΔVout表示PFC的电压输出变化量。

3.一种改进PFC控制特性的装置，其特征在于，该装置包括：设置模块及控制电路；其中，

设置模块，用于在PFC的控制电路中增设控制环节；

所述控制环节实现的运算为：

其中，V_comp表示PFC中的电压环的PI的调节输出，V_rms表示输入电压的有效值；

控制电路，用于被设置模块增设控制环节，并在设置完成后，实现控制增益的线性化；

当PFC的类型为直接式PFC时，所述n的取值为2；

当PFC的类型为间接式PFC时，所述n的取值为3。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述装置还包括主电路，用于使功率因数等于1。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，当PFC的类型为直接式PFC时，所述控制环节包括两个乘法器及一个除法器，两个乘法器的输出端分别与除法器的输入端相连接。

6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，当PFC的类型为间接式PFC时，所述控制环节包括三个乘法器及一个除法器，第一个乘法器的输出端与第二个乘法器的输入端相连接，第二个乘法器的输出端与除法器的输入端相连接，第三个乘法器的输出端与除法器的输入端相连接。

7.根据权利要求3至6任一项所述的装置，其特征在于，所述控制电路具体用于：

用于被设置模块增设控制环节，并在设置完成后，实现在一定负载的条件下，ΔVcomp与ΔVout呈线性关系；ΔVcomp表示PFC的比例积分调节器的输入变化量；ΔVout表示PFC的电压输出变化量。

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