CN104348349B - 抑制输入电流波形谐波失真的控制方法 - Google Patents

抑制输入电流波形谐波失真的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种抑制输入电流波形谐波失真的控制方法,适用于功率因数校正器,包含步骤:(a)接收运算电路输出的电流命令信号;(b)将电流命令信号与输入电流比较以取得电流误差信号;(c)对电流误差信号进行调整;(d)判断功率因数校正器是否运作于第一模式与第二模式切换的转态区间内,若判断结果为是,将调整前的电流误差信号与前馈信号进行加法运算,并将运算结果与调整后的电流误差信号进行加法运算,以产生电流控制信号;(e)根据电流控制信号产生切换控制信号,以控制电源转换电路的切换开关运作,以抑制电源转换电路的输入电流波形的谐波失真。

Description

抑制输入电流波形谐波失真的控制方法
技术领域
本发明关于一种控制方法,尤指一种抑制输入电流波形谐波失真的控制方法。
背景技术
现今电源供应器的业者追求高品质的电力供需一直是全球各国所想要达成的目标,然而大量的兴建电厂并非解决问题的唯一途径,一方面提高电力供给的能量,一方面提高电器产品的功率因数(Power Factor)或效率才能有效解决问题。
功率因数校正器(Power Factor Corrector,PFC)其主要功能为补偿电器用品所产生的电流对电压的相位差,使电器用品的输入电压与输入电流的相位相同,以达到供电的高功率因数,而功率因数校正器的另一功能则为抑制电器用品所产生的电流谐波,以维护输入电力的品质。
请参阅图1,其为现有具有功率因数校正器的电源供应电路架构图,如图所示,现有电源供应电路1具有电源转换电路11、功率因数校正器12以及脉冲宽度调变控制电路13,其中电源转换电路11接受一市电交流电源AC并经由整流电路111转换成输入电压Vin,而功率因数校正器12则接收输出电压Vo并根据一参考电压进行比对,以进行功率因数修正,使近似弦波的输入电流Iin波形与输入电压Vin同相位,并输出一电流控制信号Ic至脉冲宽度调变控制电路13,使脉冲宽度调变控制电路13根据电流控制信号Ic产生一切换控制信号Sc,以控制切换开关S的运作,进而产生一输出电压Vo。
而功率因数校正器12有两种工作模式,分别为非连续导通模式(DCM)与连续导通模式(CCM),现有功率因数校正器12虽然可达到使输入电压Vin与输入电流Iin的相位相同,以达到高功率因数的功效,但是于非连续导通模式转换成连续导通模式或是连续导通模式转换成非连续导通模式的转态区间内,功率因数校正器12的输出电流控制信号Ic的瞬间变化量太大,将使得脉冲宽度调变控制电路13输出的切换控制信号Sc的占空比(duty cycle)变化量过大,而使输入电流Iin的波形失真,即于非连续导通模式与连续导通模式之间切换的转态区间中输入电流Iin波形具有过大的谐波失真(Total Harmonic Distortion,THD),请参阅图2,其为现有输入电流的波形图,现有输入电流Iin的波峰及波谷处具有电流谐波失真,且其电流谐波失真因数高达6.6,即iTHD=6.6,而输入电流Iin的波形具有过大的谐波失真将影响输入电力的品质。
因此,如何发展一种抑制输入电流波形谐波失真的控制方法,实为目前迫切需要解决的问题。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种抑制输入电流波形谐波失真的控制方法,以解决现有功率因数校正器于非连续导通模式与连续导通模式之间切换的转态区间中输入电流波形具有过大的谐波失真,将影响输入电力品质的缺点。
为达上述目的,本发明的一较广义实施方式为提供一种抑制输入电流波形谐波失真的控制方法,适用于一功率因数校正器,该功率因数校正器与一电源转换电路连接,且具有一运算电路,并于一第一模式或是一第二模式中运作,至少包含下列步骤:(a)接收该运算电路所输出的一电流命令信号;(b)将该电流命令信号与一输入电流进行比较以取得一电流误差信号;(c)对该电流误差信号进行调整;(d)判断该功率因数校正器是否运作于该第一模式与该第二模式切换的转态区间内,若判断结果为是,将调整前的该电流误差信号与一前馈信号进行加法运算,并将运算结果与调整后的该电流误差信号进行加法运算,以产生一电流控制信号;以及(e)根据该电流控制信号产生一切换控制信号,以控制该电源转换电路的一切换开关运作,以抑制该电源转换电路的该输入电流波形的谐波失真。
附图说明
图1为现有具有功率因数校正器的电源供应电路架构图。
图2为现有输入电流的波形图。
图3为本发明电源供应电路的电路结构示意图。
图4为图3所示的功率因数校正器运作于第一模式或第二模式的占空比示意图。
图5为本发明输入电流的波形图。
图6为本发明较佳实施例的抑制输入电流波形谐波失真的控制方法的流程图。
其中,附图标记说明如下:
电源供应电路:1、2
电源转换电路:11、21
整流电路:111、211
功率因数校正器:12、22
脉冲宽度调变控制电路:13
二极管:212
电压反馈电路:221
运算电路:222
比较器:223、2211
电压放大控制器:2212
电流放大控制器:224
切换开关:225
加法器:226、227
切换控制电路:23
电流控制信号:Ic
切换控制信号:Sc
切换开关:S
交流电源:AC
输入电压:Vin
输入电流Iin
输出电压:Vo
期待参考电压:Vref
转态区间:X
转态点:A1、A2
电压误差信号:Ev
电压命令信号:Vea
正弦波信号:SW
输入电压的反相信号:1/Vin
电流命令信号:Iref1
电流误差信号:Ei
前馈信号:FFD
参考信号:Iref2
电感:L
电容:C
抑制输入电流波形谐波失真的控制步骤:S601~S610
具体实施方式
体现本发明特征与优点的一些典型实施例将在后段的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的方式上具有各种的变化,其皆不脱离本发明的范围,且其中的说明及图示在本质上当作说明之用,而非架构于限制本发明。
请参阅图3,其为本发明电源供应电路的电路结构示意图,如图所示,本发明的电源供应电路2具有电源转换电路21、功率因数校正器22以及切换控制电路23,其中电源转换电路21接受一市电交流电源AC并经由整流电路211转换成输入电压Vin,而功率因数校正器22则接收输出电压Vo并根据一期待参考电压Vref进行比对,以进行功率因数修正,使近似弦波的输入电流Iin波形与输入电压Vin同相位,并输出一电流控制信号Ic至切换控制电路23,使切换控制电路23根据电流控制信号Ic产生一切换控制信号Sc,以控制电源供应电路21的切换开关S的运作,进而产生一输出电压Vo。
请再参阅图3,本发明的电源转换电路21除了整流电路211外更具有电感L、切换开关S、二极管212以及电容C,以通过切换开关S的运作来产生该输出电压Vo。
请参阅第3及4图,其中图4为图3所示的功率因数校正器运作于第一模式或第二模式的占空比示意图,本发明的功率因数校正器22可于第一模式或是第二模式中运作,其中,第一模式可为一非连续导通模式(DCM),第二模式可为一连续导通模式(CCM),且第一模式(DCM)与第二模式(CCM)之间具有A1及A2两个转态点,于本实施例中,于时间轴零至A1之间功率因数校正器22运作于第一模式(DCM),而转态点A1之后功率因数校正器22将由第一模式(DCM)切换成运作于第二模式(CCM),一直到转态点A2之后功率因数校正器22将由第二模式(CCM)切换成运作于第一模式(DCM),而转态区间X是由一微控制器(未图示)根据转态点A1及A2所设定而成,例如:当转态点A1及A2所对应的占空比为0.3时,则转态区间X则设定为0.3±0.05,即转态区间X=0.35~0.25。
功率因数校正器22可由电压反馈电路221、运算电路222、比较器223、电流放大控制器224、切换开关225、加法器226及227所组成,其中电压反馈电路221中具有比较器2211及电压放大控制器2212,比较器2211与电源转换电路21及电压放大控制器2212电性连接,其将电源转换电路21的输出电压Vo与期待参考电压Vref进行比较以产生一电压误差信号Ev,电压误差信号Ev将经由电压放大控制器2212进行放大调整,以产生一电压命令信号Vea,其中电压放大控制器2212可为一补偿电路,例如:比例积分(PI)控制器。
电压命令信号Vea传送至运算电路222并与一正弦波信号SW及输入电压Vin的反相信号1/Vin进行乘法运算,以使运算电路222产生一电流命令信号Iref1,比较器223与运算电路222、电流放大控制器224及切换开关225电性连接,其将电流命令信号Iref1与一输入电流Iin进行比较以取得一电流误差信号Ei。而电流放大控制器224可对电流误差信号Ei进行放大调整,其中电流放大控制器224可为一补偿电路,例如:比例积分(PI)控制器。
而切换开关225受微控制器(未图示)的控制进行运作,当功率因数校正器22运作于第一模式(DCM)与第二模式(CCM)切换的转态区间X(如图4所示)内时切换开关225将导通,使得加法器226将调整前的电流误差信号Ei与一前馈信号(Feedforward,FFD)进行加法运算,并利用加法器227将加法器226的运算结果与调整后的电流误差信号Ei进行加法运算,以产生一电流控制信号Ic。
反之,若功率因数校正器22未运作于转态区间X内时切换开关225将关闭,并通过加法器227将调整后的该电流误差信号Ei与前馈信号FFD进行加法运算,以产生电流控制信号Ic。
本发明的前馈信号FFD为于相同运作时间下由第一模式(DCM)的占空比及第二模式(CCM)的占空比两者之中所选取的最小占空比,即FFD=Min(DCM,CCM),如图4所示,于时间轴零至A1之间第一模式(DCM)的占空比小于第二模式(CCM)的占空比,因此,功率因数校正器22运作于第一模式(DCM),且前馈信号FFD取第一模式(DCM)的占空比,而于转态点A1至A2之间,第二模式(CCM)的占空比小于第一模式(DCM)的占空比,因此,功率因数校正器22将由第一模式(DCM)切换成运作于第二模式(CCM),且前馈信号FFD取第二模式(CCM)的占空比,至于转态点A2之后,第一模式(DCM)的占空比小于第二模式(CCM)的占空比,因此,功率因数校正器22将由第二模式(CCM)切换成运作于第一模式(DCM),而前馈信号FFD取第一模式(DCM)的占空比。
请再参阅图3,切换控制电路23与电源转换电路21的切换开关S以及功率因数校正器22的加法器227电性连接,并根据电流控制信号Ic及一参考信号Iref2产生一切换控制信号Sc,用以控制切换开关S的运作以达到输出稳定的输出电压Vo,以及当功率因数校正器22运作于第一模式(DCM)与第二模式(CCM)切换的转态区间X(如图4所示)内时,通过将调整前的电流误差信号Ei与前馈信号FFD先进行加法运算后再将运算结果传送至加法器227与调整后的电流误差信号Ei进行加法运算,可使电流控制信号Ic于转态区间X的变化量趋缓,进而使得切换控制电路23输出的切换控制信号Sc的占空比变化量亦趋缓,即可达到抑制电源转换电路21的输入电流Iin波形的谐波失真的情况。其中切换控制电路23可为一脉冲宽度调变控制电路,而参考信号Iref2可为一三角波信号。
请参阅图5,本发明输入电流Iin的波峰及波谷处所具有的电流谐波失真情况已有效抑制,且与图2相较,本发明输入电流Iin的电流谐波失真因数已降低至4.4,即iTHD=4.4,将大幅改善对输入电力品质的影响,进而解决现有电流控制信号Ic于转态区间X中瞬间变化量过大,使输入电流Iin的波形具有过大谐波失真的问题。
请参阅图3、4及6,其中图6为本发明较佳实施例的抑制输入电流波形谐波失真的控制方法的流程图,如图所示,本实施例的抑制输入电流波形谐波失真的控制方法包含下列步骤:首先,接收一期待参考电压Vref以及电源转换电路21的一输出电压Vo,并将期待参考电压Vref与输出电压Vo进行比较,以产生一电压误差信号Ev(如步骤S601所示),接着利用电压放大控制器2212对电压误差信号Ev进行放大调整,以产生一电压命令信号Vea(如步骤S602所示),将调整后的电压误差信号,即电压命令信号Vea,与一正弦波信号SW及一输入电压Vin的反相信号1/Vin进行乘法运算,以使运算电路222产生一电流命令信号Iref1(如步骤S603所示)。
于步骤S603之后,比较器223接收该电流命令信号Iref1(如步骤S604所示),并将电流命令信号Iref1与一输入电流Iin进行比较以取得一电流误差信号Ei(如步骤S605所示),后续,对电流误差信号Ei进行放大补偿调整(如步骤S606所示),接续,判断功率因数校正器22是否运作于第一模式(DCM)与第二模式(CCM)切换的转态区间X内(如步骤S607所示)。
当步骤S607的判断结果为是时,表示功率因数校正器22运作于第一模式(DCM)与第二模式(CCM)切换的转态区间X(如图4所示)内,切换开关225将导通,使得加法器226将调整前的电流误差信号Ei与一前馈信号FFD进行加法运算,后续则利用加法器227将加法器226的运算结果与调整后的该电流误差信号Ei进行加法运算,以产生一电流控制信号Ic(如步骤S608所示)。反之,当步骤S607的判断结果为否时,表示功率因数校正器22未运作于转态区间X内,切换开关225将关闭,并通过加法器227将调整后的该电流误差信号Ei与前馈信号FFD进行加法运算,以产生电流控制信号Ic(如步骤S609所示)。
最后,切换控制电路23根据电流控制信号Ic及一参考信号Iref2产生一切换控制信号Sc,以控制电源转换电路21的切换开关S运作,以达到输出稳定的输出电压Vo(如步骤S610所示),以及当功率因数校正器22运作于第一模式(DCM)与第二模式(CCM)切换的转态区间X(如图4所示)内时,通过将调整前的电流误差信号Ei与前馈信号FFD先进行加法运算后再将运算结果传送至加法器227与调整后的电流误差信号Ei进行加法运算,可使电流控制信号Ic于转态区间X的变化量趋缓,进而使得切换控制电路23输出的切换控制信号Sc的占空比(duty cycle)变化量亦趋缓,即可达到抑制电源转换电路21的输入电流Iin波形的谐波失真的情况。
综上所述,本发明的抑制输入电流波形谐波失真的控制方法是通过当功率因数校正器运作于第一模式与第二模式切换的转态区间内时,将调整前的电流误差信号与一前馈信号进行加法运算,并将运算结果与调整后的该电流误差信号进行加法运算,可使所产生的电流控制信号于转态区间X的变化量趋缓,进而使得切换控制电路输出的切换控制信号的占空比变化量亦趋缓,可达到抑制电源转换电路的输入电流波形的谐波失真的情况,进而解决现有电流控制信号于转态区间中瞬间变化量过大,使输入电流Iin的波形具有过大谐波失真的缺点。
本发明得由本领域技术人员任施匠思而为诸般修饰,然皆不脱如附申请专利权利要求范围所欲保护者。

Claims (9)

1.一种抑制输入电流波形谐波失真的控制方法,适用于一功率因数校正器,该功率因数校正器与一电源转换电路连接,且具有一运算电路,并于一第一模式或是一第二模式中运作,至少包含下列步骤:
(a)接收该运算电路所输出的一电流命令信号;
(b)将该电流命令信号与一输入电流进行比较以取得一电流误差信号;
(c)对该电流误差信号进行调整;
(d)判断该功率因数校正器是否运作于该第一模式与该第二模式切换的转态区间内,若判断结果为是,将调整前的该电流误差信号与一前馈信号进行加法运算,并将运算结果与调整后的该电流误差信号进行加法运算,以产生一电流控制信号;以及
(e)根据该电流控制信号产生一切换控制信号,以控制该电源转换电路的一切换开关运作,以抑制该电源转换电路的该输入电流波形的谐波失真;
其中该第一模式为一非连续导通模式,该第二模式为一连续导通模式。
2.如权利要求1所述的抑制输入电流波形谐波失真的控制方法,其中该功率因数校正器与一切换控制电路连接,该切换控制电路根据该电流控制信号及一参考信号产生该切换控制信号。
3.如权利要求1所述的抑制输入电流波形谐波失真的控制方法,其中该步骤(c)中对该电流误差信号进行放大调整。
4.如权利要求1所述的抑制输入电流波形谐波失真的控制方法,其中该前馈信号为由该第一模式的占空比及该第二模式的占空比两者之中所选取的最小占空比。
5.如权利要求1所述的抑制输入电流波形谐波失真的控制方法,其中该步骤(a)还包含步骤(a1):接收一期待参考电压以及该电源转换电路的一输出电压,并将该期待参考电压与该输出电压进行比较,以产生一电压误差信号。
6.如权利要求5所述的抑制输入电流波形谐波失真的控制方法,其中该步骤(a1)还包含步骤(a2):对该电压误差信号进行调整。
7.如权利要求6所述的抑制输入电流波形谐波失真的控制方法,其中该步骤(a2)还包含步骤(a3):通过该运算电路将调整后的该电压误差信号与一正弦波信号及该电源转换电路所接受的一输入电压的反相信号进行乘法运算,以使该运算电路产生该电流命令信号。
8.如权利要求6所述的抑制输入电流波形谐波失真的控制方法,其中该步骤(a2)中对该电压误差信号进行放大调整。
9.如权利要求1所述的抑制输入电流波形谐波失真的控制方法,其中该步骤(d)还包含步骤(d1):当判断结果为否时,将调整后的该电流误差信号与该前馈信号进行加法运算,以产生该电流控制信号。
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