CN102064700A - 一种可实现pfc均流并联的电路及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本文涉及一种可实现PFC均流并联的电路及其控制方法，该电路包括：第一，至少两个并联的PFC电路；第二，采样电路，其包括输入市电电压采样，输出直流电压采样和各PFC的电感电流采样。第三，实现功率因数校正的主控制器的硬件电路；第四，实现均流控制的硬件电路。本发明还涉及一种均流控制单元，其包括：包含多个电流误差控制环路，每个并联的PFC电路都对应一个电流误差控制电路。每个电流误差控制环路包含：第一，运算环节，实现取平均电流运算和差值运算；第二，控制环节，对电流误差信号进行调节；第三，占空比调节环节，对主调制波信号进行调节，生成多路PWM信号。

Description

一种可实现PFC均流并联的电路及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种可实现PFC(Power Factor Correction，功率因数校正)均流并联的电路及其控制方法，该电路和控制方法可以实现多块PFC板的均流并联，尤其是可以实现不同功率等级的PFC功率板的并联。
背景技术
在不间断电源(UPS)等电力电子设备中，设有进行能量变换的功率板，为了解决功率容量限制问题，常采用多块功率板并联的方案，多块功率板并联的方案在成本上也有优势。
功率板并联有诸多优点，但由于元器件本身存在差异，如晶闸管(SCR)的压降，电感的差异，开关管的开关速度等，往往使得各个系统的阻抗不一致，如果不采用均流措施而直接将两个功率板并联，将导致每块功率板的电流并不一致，轻则影响元器件寿命，浪费容量，重则烧毁功率板，造成整个UPS系统崩溃。因此当功率板并联使用时，均流措施必不可少。
对于功率板的并联均流，总体来说分为主动均流和被动均流。被动均流常用的方法是在功率板之间接差模电感(Differential Mode Choke)，通过调节阻抗来达到均流的目的，如图1所示。这样的方法均流效果十分有限，而且成本较高，对于现在的技术手段来说较少使用。
在功率板并联主动均流控制中，在PFC电路部分有大量的文献和专利产出，我们回顾下一些常用方案。如图2所示，此控制方式在美国专利申请US20050036337A1中(Current sharing method and apparatus for alternately controlling parallel connected boost PFC circuits)，提到了使用2个控制芯片UC3854(1，2)，在共用电压控制环路的情况下，产生2个独立的电流控制环路，以此来控制2块并联功率板。这种方法只是两个电流环的给定相同，并不能实现真正意义上的均流。另外该方案只针对了2块功率板并联，比较狭隘。
如图3所示，此亦为市场上较多采用的做法，所需采样的信号与图2的方案大致相同，电流采样一般是采样每块功率板的电感电流。控制器的输出信号Vm直接与三角波比较产生PWM信号；而副板的电感电流与主板的电感电流的差值经过调节器得到的结果与Vm相累加，然后同三角波比较得到了副功率板的PWM信号。
此方案与图2的不同之处在于，功率板B的控制环路中，引入了其与功率板A的电流之差的信号，这样可以使功率板B的电流向功率板A靠拢，最后在总功率一定的情况下达到均流的效果。控制器产生主调制波电压Vm和通过对主副PFC板电感电流差值的调节得到的电压补偿量信号后，去调节副功率板的PWM，使副PFC板的电流向主功率板的电流靠拢，当主功率板电流与副功率板有较大差异时，需要调节的时间较长，尤其会影响动态性能。
以上的现有技术都存在一定的缺点，表现为：1、均流度低；2、成本较高；3、对主板未做调节，响应较慢；4、并板数量仅限于两个；5、无法实现不同功率等级的PFC板并联。
发明内容
为了克服现有技术上的缺陷，本发明提出一系列新的PFC板并联均流电路和控制方法，可以解决以上的不足。
本发明提出一种可实现PFC均流并联的电路及其控制方法，其硬件电路部分包括：
第一，包括至少两个并联的PFC电路，各PFC电路的输入是并联的，输出也是并联的，实现整流，输入功率因素校正和升压的功能；第二，采样电路，包括输入市电电压采样，输出直流电压采样和各PFC的电感电流采样；第三，实现功率因数校正的主控制器的硬件电路，优选为DSP(数字信号处理器)；第四，实现均流控制部分电路，包含多个电流误差控制环路，每个PFC电路都对应一个电流误差控制环路。每个误差控制环路包括运算环节，控制环节和占空比调节环节，其中运算环节实现对采样信号做差值运算和取平均值运算，误差控制环节对运算环节输出电流误差信号进行调节。
所述的硬件电路部分中，并联的各PFC电路可以是相同功率等级的，也可以是不同功率等级的。对于相同功率等级的PFC电路并联，与PFC电路对应的电流误差控制环路也相同。当并联的PFC电路功率等级不同时，各副PFC电路的电流误差控制环路中的采样环节与差值运算环节之间需要增加一个控制单元，通常为比例调节器，增益为K。例如主板A功率为Pa，电流为Ia，副板B功率为Pb，电流为Ib，则比例调节器的增益K等于Pa/Pb。另外的做法为，对各副PFC的电感电流采样电路设置不同的采样比。例如，主板I功率为PI，电感电流采样衰减比为σi，副板II功率为PII，电感电流采样衰减比为σii，则应满足σi/σii＝PI/PII。通过以上这两种变换方法，可以对不同功率等级的PFC电路的电感电流进行比较，做差值运算和取平均值运算等，实现不同功率等级的PFC电路并联，并且它们的电流之比等于其功率之比。
所述的均流控制部分电路可以同实现功率因数校正的主控制器共用DSP来实现，也可以是独立于主控制器的硬件电路。优选前者，这样线路简单，容易实现。
本发明所涉及的控制方法如下：
功率因数校正单元采用控制的结构为电压电流双闭环控制结构，电压环为外环，电流环为内环。电压环的给定为一个常量，代表并板系统输出电压的目标电压值。采样并板系统输出电压，作为电压环反馈信号。电压环的参考给定信号与电压反馈信号之差经过电压环控制器，再与输入电压采样信号相乘得到信号电压环的输出；该电压环的输出信号也是作为电流的参考给定；电流环反馈为主PFC板的电感电流；电流环给定信号与电流反馈信号相减，得到电流误差信号，电流误差信号再经过电流环控制器得到电流环的输出信号，也就是主调制波信号。
现有的技术是对每一个并联的PFC电路分别进行控制，实现功率因数校正，有多个控制器；有的是共用电压环，如图3。本发明实现所有PFC电路共用主控制器，与硬件电路共同对实现输入功率因素校正和升压的功能。
所述主控制器中，电流环反馈还可以是所有PFC电感电流的平均值，这样电流环的控制对象为所有并联PFC电感电流的平均值，系统有更好的动态响应，输入电流纹波也较小。
均流控制单元，包含多个电流误差控制环路，每个PFC电路都对应一个电流误差控制环路。每个误差控制环路包括运算环节，控制环节和占空比调节环节。其中运算环节实现各电感电流采样值同误差环电流给定进行做差运算，获得多路电流误差信号，误差环电流给定为所有PFC电路电感电流的平均值，所以运算环节还要实现对所有电感电流采样值做平均运算；控制环节通过比例调节器，比例积分调节器或比例积分微分调节器等分别对各路电流误差信号进行调节，输出多路调制波补偿量信号；占空比调节环节实现各调制波补偿量信号分别与主控制器的输出的调制波相累加，然后分别与三角波比较得到各PFC电路的PWM(脉宽调制)信号。在实现功率因数校正的同时，也实现各PFC电路均流。
本发明引入电流误差控制环路，并联的PFC板(包括主板在内)的PWM信号，在每个开关周期都会被误差控制环路调节，使各PFC电路的输入电流跟随平均电流，实现真正意义上的均流。
一种可实现PFC均流并联的电路及其控制方法，与传统的PFC并板技术相比，具有以下优点：
此电路及其控制方法可以实现多块功率板并联；
此电路及其控制方法可以实现功率等级不同的PFC板并联；
此电路及其控制方法可以实现多块板共用控制器，控制简单，易于实现；
此电路及其控制方法，与以往的技术相比，整个功率板并联系统的响应速度快，调节能力强；
此电路及其控制方法，设计较为灵活，如主控制器的电流环反馈输入可以采用主板电流，也可以采用所有功率板的平均电流。
与现有技术相比，本发明的PFC并联均流控制电路及其控制方法具有控制电路简单，易于实现，成本较低，响应速度快的优点，并可实现不同功率等级的多块功率板并联，与已有的技术相比，具有明显的优势。
附图说明
图1是现有技术中功率板被动均流并联，应用差模电感方案的示意图；
图2是现有技术中具有独立电流环的控制方式的示意图；
图3是现有技术中并板系统共用控制器的示意图；
图4是本发明实施例一，相同功率的PFC电路并联以平均电流做控制对象的示意图；
图5是本发明实施例二，相同功率的PFC电路并联以主板电流做控制对象的示意图；
图6为本发明实施例三，不同功率的功率板并联以平均电流做控制对象的示意图；
图7为本发明实施例四，不同功率的PFC电路并联，主副板电感电流采样设置为不同的采样比，以主板电流做控制对象的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的硬件电路和控制方法做进一步说明。
实施例一
下面结合double-boost架构的PFC电路分析本发明的硬件电路和控制方法。由于该架构在市电的正负半周具有对称性，故仅以正边的电路为例说明。如图4所示，晶闸管SCR1，电感L1，开关管Q1，续流二极管D1和电容C组成一个double-boost架构的PFC电路的正边；晶闸管SCR2，电感L2，开关管Q2，续流二极管D2和电容C组成另一个double-boost架构的PFC电路的正边，它们的输入是并联的，输出也是并联的。采样电路分别采样输入市电电压，输出电容C的电压和电感L1和L2的电流。控制部分选择DSP(数字信号处理器)实现，这样硬件电路比较简化。
下面分析控制方法，第一均流单元的控制，首先对电感L1和电感L2采样电流iL1，iL2做平均运算(对应于图中401虚线部分)，得到信号为(iL1+iL2)/2，作为误差控制环路的参考给定信号。该电流给定信号分别与电感L1和L2的电流采样信号相减，得到两路电流误差信号，然后分别经过电流误差控制器Gi1和Gi2，得到两个调制波补偿量信号V1和V2。本实施例中两个并联的PFC电路参数相同，功率相等，故误差环路也相同，Gi1和Gi2相同，本实施例首选比例调节器。
功率因数校正单元控制方法为：Vref为整个并板系统的参考给定，代表输出电压的目标值，Vout为输出电压反馈信号，Vref与Vout相减，得到的电压误差信号，然后通过电压环控制器Gv，再与输入采样信号信号相乘(图中M环节)得到电流环给定；电流环给定与电流环的反馈信号，即两个PFC电路电感电流采样的平均值(iL1+iL2)/2，二者之差得到的电流误差信号，电流误差信号再通过电流环控制器Gi得到主调制波Vm；
占空比调节单元实现调制波补偿量信号V1和V2分别与主调制波Vm相加，得到Vm1和Vm2，Vm1和Vm2分别与三角波比较得到两个PFC电路的PWM信号。
实施例二
如图5所示，为多个PFC电路并联，功率部分硬件电路同实施例一，输入是并联的，输出也是并联。图中省略了硬件电路部分。主控制器电压环为501，同本发明实施例一；电流环为502，其电流反馈为主PFC电感电流，而非平均电流；电流误差控制环路数量与并联的PFC电路一一对应，图示503是与PFC-A电路对应的电流误差控制环路，其电流给定为∑Is/X，其中X为并联PFC板的数量。Gi1，Gi2，Gi3分别是PFC-A电路，PFC-B电路和PFC-C电路的电流误差环的控制器，对应于图中504。每个误差控制环路与本发明实施例一相同。由于电流误差环路的作用，使各PFC板电感电流跟随平均电流，即使以主PFC的电感电流做控制对象，也会实现各功率板间均流。
实施例三
如图6所示，为本发明的实施例三，并联的PFC电路为不同功率等级。整流桥Bridge，电感L1，开关管Q1，二极管D1和电容C组成PFC电路一；整流桥Bridge，电感L2，开关管Q2，二极管D2和电容C组成PFC电路二。两个PFC电路硬件参数不同，功率也不同，电路一额定功率为P1，额定电流为I1；电路二额定功率为P2，额定电流为I2。设电路一为主板，电路二为副板。经电流采样后，获得主副PFC电流电感电流采样信号iL1和iL2，电路二在对电感L2电流采样后，经过一个比例环节对电流采样信号进行处理。该比例环节增益K＝P1/P2。然后经过运算获得平均电流反馈信号(iL1+KiL2)/2，作为主控制器电流环反馈信号和误差环给定信号，其余环节同本发明的实施例一。当有多个PFC电路并联时，平均电流反馈信号∑Is/X含义为：[iL1+(P1/P2)*iL2+(P1/P3)*iL3+......+(P1/PX)*iLX]/X，其中X为并联功率板数量，将其它功率板向主PFC电路折算。
实施例四
如图7所示，为本发明的实施例四，其功率部分硬件电路同本发明的实施例三，并联的PFC电路为不同功率等级的，分别为Pa和Pb，额定电流为Ia和Ib。图中S1和S2分别是PFC电路一和PFC电路二的电感电流采样电路，其采样比(实际电感电流比采样端电流之比)不同，分别为K1和K2，满足Pa/K1＝Pb/K2。经过图中701平均运算环节，得到电流信号为(iL1/K1+iL2/K2)/2，该信号作为误差环电流给定信号。而主控制器电流反馈信号为主PFC电路的电感电流。
以上参照附图说明了本发明的各种优选实施例，但是只要不背离本发明的实质和范围，本领域的技术人员可以对其进行各种形式上的修改和变更，都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种可实现PFC均流并联的电路，其特征在于包括以下部分：
至少两个并联的PFC电路；
采样电路，其包括输入市电电压采样、输出直流电压采样和各PFC的电感电流采样；
用于实现功率因数校正的主控制器电路；
均流控制电路，其包含多个电流误差控制电路，所述每个PFC电路都对应一个所述的电流误差控制电路，每个所述误差控制电路包括运算环节、控制环节和占空比调节环节。
2.如权利要求1所述的可实现PFC电路均流并联的电路，其特征在于：所述的各PFC电路的输入是并联的，输出也是并联的，实现整流，输入功率因素校正和升压的功能。
3.如权利要求1所述的可实现PFC电路均流并联的电路，其特征在于：所述的主控制器电路为数字信号处理器。
4.如权利要求1所述的可实现PFC电路均流并联的电路，其特征在于：所述误差控制电路中，运算环节实现对采样信号做差值运算和取平均值运算；控制环节对运算环节输出电流误差信号进行调节。
5.如权利要求2所述的可实现PFC电路均流并联的电路，其特征在于：并联的各PFC电路可以是相同功率等级的，也可以是不同功率等级的。
6.如权利要求5所述的可实现PFC电路均流并联的电路，其特征在于：对于相同功率等级的PFC电路并联，与PFC电路对应的电流误差控制环路也相同。
7.如权利要求5所述的可实现PFC电路均流并联的电路，其特征在于：当并联的PFC电路功率等级不同时，需要在各副PFC电路的电感电采样电路之后增加一个控制单元，所述控制单位为比例调节器；或是设置不同的电流采样比，实现各副PFC电路的电感电流采样对主板电感电流采样归一化。
8.如权利要求3或4所述的可实现PFC电路均流并联的电路，其特征在于：所述误差控制环路可以独立于所述主控制器用硬件电路实现，也可以与所述主控制器共用专门的数字信号处理器DSP来实现。
9.一种实现PFC电路均流并联的控制方法，其特征在于：
所述的PFC电路的功率因数校正单元采用控制的结构为电压电流双闭环控制结构，电压环为外环，电流环为内环，电压环的给定为一个常量，代表并板系统输出电压的目标电压值，采样并板系统的输出电压，作为电压环反馈信号，电压环的参考给定信号与电压反馈信号二者之差经过电压环控制器，再与输入电压采样信号相乘得到的信号为电压环的输出；该电压环的输出信号也是作为电流的参考给定；电流环给定信号与电流反馈信号相减，得到电流误差信号，电流误差信号再经过电流环控制器得到电流环的输出信号，也就是主调制波信号；
所述的PFC电路的均流控制单元采用多个电流误差控制环路，分别与PFC电路一一对应，每个误差控制环路包括运算环节，控制环节和占空比调节环节，其中运算环节实现对各PFC电路的电感电流采样值取平均值运算，作为误差环电流给定信号，然后各PFC电路电感电流采样值与误差环电流给定进行做差运算，获得多路电流误差信号；控制环节通过比例调节器，比例积分调节器或比例积分微分调节器分别对各路电流误差信号进行调节，输出多路调制波补偿量信号；占空比调节环节实现各调制波补偿量信号分别与主控制器的输出的调制波相累加，然后分别与三角波比较，得到各PFC电路的脉宽调制信号。
10.如权利要求9所述的实现PFC电路均流并联的控制方法，其特征在于：所述功率因数校正单元中的电流环反馈信号为所有PFC电感电流的平均值。
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