CN103441665A - 一种交错并联型功率因数校正装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有数字化控制系统的交错并联型功率因数校正装置和控制方法，其中装置中的弱电部分包括交流电压采样调理电路、电流调理电路、直流电压采样调理电路和基于DSP的主控电路板，装置中的强电部分包括四个整流二极管、两个半桥MOSFET及其驱动电路，以及从半桥MOSFET的交流输出端点引出的两个储能电感、

和滤波电容C，采样调理电路采集交流电压信号、电流信号和直流电压信号，根据采样信号由基于DSP芯片的主控电路板生成驱动信号，经驱动电路放大后驱动两个半桥MOSFET。本发明的装置具有结构简单、功能完善、功率因数校正优秀、电磁兼容性良好、通用性强、支持大功率等优点。

Description

一种交错并联型功率因数校正装置及其控制方法

技术领域

本发明属于数字化控制策略技术领域，具体涉及一种具有数字化控制系统的交错并联型功率因数校正装置及其控制方法。 

背景技术

为了减小大功率电力电子装置对电网的影响，通常要求在其交流输入端（电网端）增加功率因数校正环节。在大功率的应用场合，通常需要交错并联结构的功率因数校正电路。目前大多数的功率因数校正电路基于专用IC采用模拟控制思想进行控制，这类控制策略在负载变化不大、工况简单的应用场合有比较好的应用价值。 

随着电力电子装置功率的扩大化，数字化控制策略的优势越来越明显。但目前基于数字化控制芯片的控制策略依然沿用模拟控制思想，这种控制思想没有发挥数字控制芯片的潜力。 

发明内容

本发明针对交错并联降压型功率因数校正电路提出了一种基于数字化控制思想的新型控制策略，增加了两个电感电路中环流抑制的功能，提高了系统的控制效果。 

本发明具体公开了一种具有数字化控制系统的交错并联型功率因数校正装置，由弱电部分和强电部分组成，其特征在于：其中弱电部分包括交流电压采样调理电路、电流调理电路、直流电压采样调理电路和基于DSP的主控电路板，作为所述数字化控制系统，所述强电部 分包括四个整流二极管、两个半桥MOSFET及其驱动电路，以及从半桥MOSFET的交流输出端点引出的两个储能电感L₁、L₂和滤波电容C，作为功率因数校正电路，交流电压采样调理电路采集电网交流电压信号，两个电流调理电路采集两个电感的电流信号，直流电压采样调理电路采样输出直流电压信号，根据采样信号由基于DSP芯片的主控电路板生成驱动信号，经驱动电路放大后驱动两个半桥MOSFET。 

本发明公开了对上述交错并联型功率因数校正装置进行控制的方法，包括如下步骤： 

1）采集电网交流电压信号，采集两个电感的电流信号，采集输出直流电压信号； 

2）交错并联降压功率因数校正电路直流输出电压的给定参考值v_low ^*与由直流电压采样调理电路采样得到的实际电压反馈值v_low进行比较，二者的误差信号经第一比例积分环节

调理后和电网电压绝对值|v_grid|相乘然后除以2，然后减去前馈项(i_L1-i_L2)/2，作为电感L₁电流内环的给定值

加上前馈项(i_L1-i_L2)/2作为电感L₂电流内环的给定值

其中i_L1为电感L₁中的平均电流值，i_L2为电感L₂中的平均电流值； 

3）电感L₁、L₂的平均电流给定值

与实际采集到的平均电流值i_L1、i_L2的误差信号经第二比例积分环节调理后被|v_grid|-v_low减，得到

其中v_low为交错并联降压功率因数校正电路的直流输出电压，

为控制策略运算过程中的中间变量； 

4）由式（1）、（2）得到两个半桥MOSFET下管驱动的占空比分别为： 

$d_1=1-v_{\mathrm{in}1}^{*}/\left|v_{\mathrm{grid}}\right|---\left(1\right)$

$d_2=1-v_{\mathrm{in}2}^{*}/\left|v_{\mathrm{grid}}\right|---\left(2\right)$

其中，第一比例积分环节

其中K_k1为电压外环比例积分环节的比例系数，K_i1为电压外环比例积分环节的积分系数，

表示积分运算。 

其中，第二比例积分环节

其中K_k2为电流内环比例积分环节的比例系数，K_i2为电流内环比例积分环节的积分系数，

表示积分运算。 

其中，为了减小两个电感电流之和的纹波系数，两个半桥MOSFET电路的驱动信号占空比d₁、d₂差180度相位。 

本发明的数字化控制系统可适用于各种单相交流电网供电设备，如变频家用电器等使用，能够满足宽输出功率范围0.5KW～4.0KW和宽输出电压范围50VDC～300VDC工作要求。具有结构简单、功能完善、功率因数校正优秀、电磁兼容性良好、通用性强、支持大功率等优点。 

附图说明

图1：用于交错并联型功率因数校正电路的数字化控制系统图； 

图2：数字化控制策略的控制框图； 

图3：具有降压功能的交错并联型功率因数校正电路的两个半桥MOSFET的驱动信号以及两个电感的电流特征图。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行具体说明。 

图1为本发明的具有降压功能的包括数字化控制系统的交错并联型功率因数校正装置。该装置由弱电部分和强电部分构成，其中交流 电压采样调理电路、两个电感电流调理电路、输出直流电压采样调理电路和基于DSP的主控电路板作为弱电部分，构成所述控制系统；四个整流二极管和两个半桥MOSFET及其驱动电路，以及从半桥MOSFET的交流输出端点引出的两个储能电感L₁、L₂和滤波电容C作为强电部分，构成功率因素校正电路。其中DSP是整个控制系统的信息处理中心和本发明控制策略的运行单元，交流电压采样调理电路、两个电感电流调理电路、直流电压采样调理电路负责将强电部分中电网交流电压信号、两个电感的电流信号和输出直流电压信号采集到ＤＳＰ中。ＤＳＰ将本发明的控制策略运行完后，将需要执行的命令信号发给两个半桥MOSFET的驱动电路，驱动电路将ＤＳＰ的执行命令放大后驱动两个半桥MOSFET工作。 

按照本发明图2所示的控制策略，使由四个整流二极管和两个半桥MOSFET及其驱动电路，以及从半桥MOSFET的交流输出端点引出的两个储能电感L₁、L₂和滤波电容C构成强电部分同时具备功率因数校正功能和降压功能以及两个电感环路的环流抑制功能。 

数字化控制策略的控制框图如图2所示。控制策略分为电压外环和两个并联的电流内环。电压外环由交错并联降压功率因数校正电路直流输出电压的给定参考值v_low ^*与其实际电压反馈值v_low构成，二者的误差信号经第一比例积分环节

调理后和电网电压绝对值|v_grid|相乘然后除以2，减去前馈项(i_L1-i_L2)/2作为电感L₁电流内环的给定值

加上前馈项(i_L1-i_L2)/2作为电感L₂电流内环的给定值

如果两个电感L₁、L₂参数完全一样，两个电感电流传感器没有误差，那么理论上两个电感回路中不会出现环流，实际中不会那么理想，v_in1、v_in2之间会有环流。 

引入前馈项(i_L1-i_L2)/2的目的是为了抑制两个电感L₁、L₂回路中的 电流环流。以上描述中i_L1为电感L₁中的平均电流值，i_L2为电感L₂中的平均电流值。 

电感L₁、L₂的平均电流给定值

与实际电流i_L1、i_L2的误差信号经第二比例积分环节

调节后被|v_grid|-v_low减，可以得到

其中v_low为交错并联降压功率因数校正电路的直流输出电压，

为控制策略运算过程中的中间变量。上述过程中

其中，

为电压外环比例积分环节的传递函数，K_k1为电压外环比例积分环节的比例系数，K_i1为电压外环比例积分环节的积分系数；

为电流内环比例积分环节的传递函数，K_k2为电流内环比例积分环节的比例系数，K_i2为电流内环比例积分环节的积分系数，表示积分运算。 

通过公式（1）、（2）即可计算出两个半桥MOSFET下管驱动的占空比: 

$d_1=1-v_{\mathrm{in}1}^{*}/\left|v_{\mathrm{grid}}\right|---\left(1\right)$

$d_2=1-v_{\mathrm{in}2}^{*}/\left|v_{\mathrm{grid}}\right|---\left(2\right)$

按照式（1）、（2）计算出来的占空比分别驱动两个半桥MOSFET下管，本发明的强电部分就能同时实现降压、功率因数校正以及两个电感中电流环流的抑制作用。 

对于电感L1、L2而言，如果希望增加（减小）电感电流，以电感L1回路为例说明，那么就增加（减小）电流给定

计算值  $v_{\mathrm{in}1}^{*}=\left(\right|v_{\mathrm{grid}}|-v_{\mathrm{low}})-(i_{L1}^{*}-i_{L1})G_{{\mathrm{PI}}_2}$ 就会减小（增加）， $d_1=1-v_{\mathrm{in}1}^{*}/\left|v_{\mathrm{grid}}\right|$ 就会增加（减小），按照这个占空比d1驱动电路实际的v_in1就会减小（增加）（因为v_in1＝(1-d₁)|v_grid|），实际的i_L1＝(|v_grid|-v_low-v_in1)/sL就会增加（减 小），实际电流i_L1就向

跟进。 

可以发现，这种控制方法的电感L1电流内环传递函数为： 

$\frac{i_{L1}}{{i_{L1}}^{*}}=\frac{K_{p2}s+K_{i2}}{L_1{s}^2+K_{P2}s+K_{i2}}$

此时的传递函数只与比例-积分环节的参数K_k2、，K_i2和电感参数L₁有关系，而与电路工作点没有关系。一套参数就能满足电路大范围内工作需要。 

每个半桥MOSFET电路的上管和下管驱动信号为互补关系，为了避免上下管的直通故障，DSP程序中需要增加死区设置。 

从图3中可以看出，为了减小两个电感电流之和的纹波系数，要求两个半桥MOSFET电路的驱动信号d₁、d₂差180度相位，那么两个电感中的电流也刚好差180度相位，此时两个电感电流之和的纹波电流很小。则用一个很小的输出电容C就能有一个很平稳的输出电压。 

实际应用中也可以将每个半桥电路的上管去掉，节省费用。但这时的电路在轻载时电感电流会出现断续情况，需要根据负载的轻、重不同改变比例-积分环节

的参数值。轻载的时候参数小，重载的时候参数大。 

Claims (5)

1.一种具有数字化控制系统的交错并联型功率因数校正装置，由弱电部分和强电部分组成，其特征在于：其中弱电部分包括交流电压采样调理电路、电流调理电路、直流电压采样调理电路和基于DSP的主控电路板，作为所述数字化控制系统；所述强电部分包括四个整流二极管、两个半桥MOSFET及其驱动电路，以及从半桥MOSFET的交流输出端点引出的两个储能电感L₁、L₂和滤波电容C，作为功率因数校正电路；交流电压采样调理电路采集电网交流电压信号，两个电流调理电路采集两个电感的电流信号，直流电压采样调理电路采样输出直流电压信号，根据采样信号由基于DSP芯片的主控电路板生成驱动信号，经驱动电路放大后驱动两个半桥MOSFET。 

2.对权利要求1所述的交错并联型功率因数校正装置进行控制的方法，包括如下步骤： 

1）采集电网交流电压信号，采集两个电感的电流信号，采集输出直流电压信号； 

2）交错并联降压功率因数校正电路直流输出电压的给定参考值v_low ^*与由直流电压采样调理电路采样得到的实际电压反馈值v_low进行比较，二者的误差信号经第一比例积分环节

调理后和电网电压绝对值|v_grid|相乘然后除以2，然后减去前馈项(i_L1-i_L2)/2，作为电感L₁电流内环的给定值加上前馈项(i_L1-i_L2)/2作为电感L₂电流内环的给定值

其中i_L1为电感L₁中的平均电流值，i_L2为电感L₂中的平均电流值。 

3）电感L₁、L₂的平均电流给定值

与实际采集到的平均电流值i_L1、i_L2的误差信号经第二比例积分环节

调理后被|v_grid|-v_low减， 得到

其中v_low为交错并联降压功率因数校正电路的直流输出电压，

为控制策略运算过程中的中间变量。 

4）由式（1）、（2）得到两个半桥MOSFET下管驱动的占空比分别为： 

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：第一比例积分环节 

其中K_k1为电压外环比例积分环节的比例系数，K_i1为电压外环比例积分环节的积分系数，

表示积分运算。 

4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于：第二比例积分环节

其中，K_k2为电流内环比例积分环节的比例系数，K_i2为电流内环比例积分环节的积分系数，表示积分运算。 

5.根据权利要求2-4任一项所述的方法，其特征在于：为了减小两个电感电流之和的纹波系数，两个半桥MOSFET电路的驱动信号占空比d₁、d₂差180度相位。 

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