CN104868709B - 交错式功率因数校正电路及其的控制方法 - Google Patents

交错式功率因数校正电路及其的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种交错式功率因数校正电路的控制方法和具有其的交错式功率因数校正电路，所述控制方法包括以下步骤：采样整流电路输入到多个升压支路的电压值，并采样多个升压支路的总输出电压值；采样多个升压支路的总输入电流值，并采样每个升压支路工作时的电流值；根据电压值、总输出电压值、总输入电流值以及预设的输出电压参考值计算总电流参考值，并对总电流参考值进行平均分配以获得输出到每个升压支路的电流参考值，以及根据电流参考值和采样到的相应升压支路工作时的电流值调节输出到相应升压支路的开关管的PWM控制信号。该控制方法有效地解决了交错式功率因数校正电路的电流不平衡问题，提高了电路的可靠性。

Description

交错式功率因数校正电路及其的控制方法
技术领域
本发明涉及功率因数校正电路技术领域，特别涉及一种交错式功率因数校正电路的控制方法以及一种交错式功率因数校正电路。
背景技术
随着国家对用电设备能源利用和效率的要求越来越高，基于多个Boost电路并联的交错式功率因素校正电路，由于其高效、简单以及可以提升输出电压的特点被广泛应用于变频驱动设备中。
目前，交错式功率因素校正电路一般采用输出对称占空比的控制方案，即由功率因数校正模块计算出升压电路的电流参考值，并生成指定占空比的PWM控制信号，经移相后输出到升压支路功率管，多个升压支路被看作一个整体进行控制，系统只有一个电压环和一个电流环。
但由于实际元器件和线路的工艺差异，每个升压支路的阻抗特性并不相同，从而导致每个升压支路工作时的电流值不同，电路长期在不平衡负载下工作会导致各部分发热不均，甚至当不平衡电流超过元器件额定值时，会使元器件发生损坏，带来安全隐患。相关技术中，采用动态占空比调节，但是该方案基于开环控制，系统的动态特性及谐波成分不太理想。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种能够有效解决交错式功率因数校正电路电流不平衡问题的交错式功率因数校正电路的控制方法。
本发明的另一个目的在于提出一种交错式功率因数校正电路。
为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种交错式功率因数校正电路的控制方法，所述交错式功率因数校正电路包括多个升压支路，所述多个升压支路中的每个升压支路的输入端均与整流电路的输出端相连，所述每个升压支路由电感、开关管和二极管组成，所述控制方法包括以下步骤：采样所述整流电路输入到所述多个升压支路的电压值VAC，并采样所述多个升压支路的总输出电压值VDC；采样所述多个升压支路的总输入电流值IAC，并采样所述每个升压支路工作时的电流值；根据所述电压值VAC、所述总输出电压值VDC、所述总输入电流值IAC以及预设的输出电压参考值VDC_REF计算总电流参考值Is_REF，并对所述总电流参考值Is_REF进行平均分配以获得输出到所述每个升压支路的电流参考值IQ_REF，以及根据所述电流参考值IQ_REF和采样到的相应升压支路工作时的电流值调节输出到所述相应升压支路的开关管的PWM控制信号。
根据本发明实施例的交错式功率因数校正电路的控制方法，首先采样整流电路输入到多个升压支路的电压值VAC，并采样多个升压支路的总输出电压值VDC，以及采样多个升压支路的总输入电流值IAC和每个升压支路工作时的电流值，然后根据电压值VAC、总输出电压值VDC、总输入电流值IAC以及预设的输出电压参考值VDC_REF计算总电流参考值Is_REF，并对总电流参考值Is_REF进行平均分配以获得输出到每个升压支路的电流参考值IQ_REF，以及根据电流参考值IQ_REF和采样到的相应升压支路工作时的电流值调节输出到相应升压支路的开关管的PWM控制信号，从而使得功率因数校正电路的电流达到平衡，解决了电路电流不平衡问题，有效地防止了电路长期工作在不平衡状态下导致电路老化甚至失效，提高了电路的可靠性，同时，采用均流控制方式对每个升压支路工作时的电流值进行控制，与传统的占空比补偿均流控制相比，谐波电流更低，抗干扰能力更强。
根据本发明的一个实施例，根据所述电压值VAC、所述总输出电压值VDC、所述总输入电流值IAC以及预设的输出电压参考值VDC_REF计算总电流参考值Is_REF，具体包括：计算所述预设的输出电压参考值VDC_REF与所述总输出电压值VDC之间的电压误差值，并对所述电压误差值进行PI调节以获得电压基准值VDC_PI；根据所述电压基准值VDC_PI和所述电压值VAC获得电流基准值IAC_PI；计算所述电流基准值IAC_PI与所述总输入电流值IAC之间的第一电流误差值，并对所述第一电流误差值进行PI调节以获得所述总电流参考值Is_REF。
根据本发明的一个实施例，根据所述电压基准值VDC_PI和所述电压值VAC获得电流基准值IAC_PI，具体包括：对所述电压值VAC进行平均计算以获得第一值，并对所述第一值进行平方计算以获得第二值；将所述电压基准值VDC_PI与所述电压值VAC相乘以获得第三值；将所述第三值除以所述第二值以获得所述电流基准值IAC_PI。
根据本发明的一个实施例，根据所述电流参考值IQ_REF和采样到的相应升压支路工作时的电流值调节输出到所述相应升压支路的开关管的PWM控制信号，具体包括：计算所述电流参考值IQ_REF与所述相应升压支路工作时的电流值之间的第二电流误差值，并对所述第二电流误差值进行PI调节以获得电流调节指令值；获取三角波信号，并根据所述电流调节指令值和获取的三角波信号调节输出到所述相应升压支路的开关管的PWM控制信号。
根据本发明的一个实施例，根据所述电流调节指令值和获取的三角波信号调节输出到所述相应升压支路的开关管的PWM控制信号，具体包括：对所述电流调节指令值和所述三角波信号进行比较；在所述三角波信号的上升沿，如果所述电流调节指令值大于所述三角波信号的幅值，则输出有效电平；在所述三角波信号的下降沿，如果所述电流调节指令值小于所述三角波信号的幅值，则输出无效电平。
根据本发明的一个实施例，所述三角波信号的载波频率等于所述PWM控制信号的载波频率。
为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出了一种交错式功率因数校正电路，包括：多个升压支路，所述多个升压支路中的每个升压支路的输入端均与整流电路的输出端相连，所述每个升压支路由电感、开关管和二极管组成；第一电压采样单元，用于采样所述整流电路输入到所述多个升压支路的电压值VAC；第二电压采样单元，用于采样所述多个升压支路的总输出电压值VDC；第一电流采样单元，用于采样所述多个升压支路的总输入电流值IAC；多个第二电流采样单元，所述多个第二电流采样单元中的每个第二电流采样单元分别用于对应采样所述每个升压支路工作时的电流值；控制模块，用于根据所述电压值VAC、所述总输出电压值VDC、所述总输入电流值IAC以及预设的输出电压参考值VDC_REF计算总电流参考值Is_REF，并对所述总电流参考值Is_REF进行平均分配以获得输出到所述每个升压支路的电流参考值IQ_REF，以及根据所述电流参考值IQ_REF和采样到的相应升压支路工作时的电流值调节输出到所述相应升压支路的开关管的PWM控制信号。
根据本发明实施例的交错式功率因数校正电路，通过第一电压采样单元采样整流电路输入到多个升压支路的电压值VAC，并通过第二电压采样单元采样多个升压支路的总输出电压值VDC，以及通过第一电流采样单元采样多个升压支路的总输入电流值IAC，通过多个第二电流采样单元中的每个第二电流采样单元分别对应采样每个升压支路工作时的电流值，控制模块根据电压值VAC、总输出电压值VDC、总输入电流值IAC以及预设的输出电压参考值VDC_REF计算总电流参考值Is_REF，并对总电流参考值Is_REF进行平均分配以获得输出到每个升压支路的电流参考值IQ_REF，以及根据电流参考值IQ_REF和采样到的相应升压支路工作时的电流值调节输出到相应升压支路的开关管的PWM控制信号，从而使得功率因数校正电路的电流达到平衡，解决了电路电流不平衡问题，有效地防止了电路长期工作在不平衡状态下导致电路老化甚至失效，提高了电路的可靠性，同时，控制模块采用均流控制方式对每个升压支路工作时的电流值进行控制，与传统的占空比补偿均流控制相比，谐波电流更低，抗干扰能力更强。
根据本发明的一个实施例，所述控制模块包括功率因数校正单元、均流控制单元、多个电流调节单元和三角波发生单元，其中，所述功率因数校正单元进一步包括：电压调节环节，用于计算所述预设的输出电压参考值VDC_REF与所述总输出电压值VDC之间的电压误差值，并对所述电压误差值进行PI调节以获得电压基准值VDC_PI；鉴相器，用于根据所述电压基准值VDC_PI和所述电压值VAC获得电流基准值IAC_PI；电流调节环节，用于计算所述电流基准值IAC_PI与所述总输入电流值IAC之间的第一电流误差值，并对所述第一电流误差值进行PI调节以获得所述总电流参考值Is_REF。
根据本发明的一个实施例，所述鉴相器具体包括：平均值计算器，用于对所述电压值VAC进行平均计算以获得第一值；第一乘法器，用于对所述第一值进行平方计算以获得第二值；第二乘法器，用于将所述电压基准值VDC_PI与所述电压值VAC相乘以获得第三值；除法器，用于将所述第三值除以所述第二值以获得所述电流基准值IAC_PI。
根据本发明的一个实施例，所述多个电流调节单元的结构相同，且所述每个电流调节单元具体包括：电流误差计算器，用于计算所述电流参考值IQ_REF与所述相应升压支路工作时的电流值之间的第二电流误差值；PI调节器，用于对所述第二电流误差值进行PI调节以获得电流调节指令值；PWM占空比生成器，用于根据所述电流调节指令值和所述三角波发生单元生成的三角波信号调节输出到所述相应升压支路的开关管的PWM控制信号。
根据本发明的一个实施例，所述PWM占空比生成器进一步用于对所述电流调节指令值和所述三角波信号进行比较，其中，在所述三角波信号的上升沿，如果所述电流调节指令值大于所述三角波信号的幅值，所述PWM占空比生成器则输出有效电平；在所述三角波信号的下降沿，如果所述电流调节指令值小于所述三角波信号的幅值，所述PWM占空比生成器则输出无效电平。
根据本发明的一个实施例，所述三角波信号的载波频率等于所述PWM控制信号的载波频率。
附图说明
图1是根据本发明一个实施例的交错式功率因数校正电路的电路图。
图2是根据本发明实施例的交错式功率因数校正电路的控制方法的流程图。
图3是根据本发明一个实施例的交错式功率因数校正电路的控制电路图。
图4是根据本发明一个实施例的功率因数校正单元的电路图。
图5是根据本发明一个实施例的电流调节环节的电路图。
图6是根据本发明一个实施例的交错式功率因数校正电路的控制流程图。
图7是根据本发明另一个实施例的交错式功率因数校正电路的控制电路图。
图8是根据本发明又一个实施例的交错式功率因数校正电路的控制电路图。
图9是根据本发明实施例的交错式功率因数校正电路的电路图。
图10是根据本发明一个实施例的功率因数校正单元的电路图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参照附图来描述根据本发明实施例提出的交错式功率因数校正电路的控制方法以及交错式功率因数校正电路。
在描述交错式功率因数校正电路的控制方法之前，首先对交错式功率因数校正电路进行说明。
交错式功率因数校正电路包括多个升压支路，多个升压支路中的每个升压支路的输入端均与整流电路的输出端相连，每个升压支路由电感、开关管和二极管组成。在实际使用过程中，交错式功率因数校正电路中的升压支路的个数按照所需功率和电流纹波要求确定，为了便于说明，本发明以并联两个升压支路的交错式功率因数校正电路作为分析说明对象。
具体地，如图1所示，第一升压支路由第一电感L1、第一二极管D1和第一开关管Q1组成，其中，第一电感L1的一端与整流电路的正输出端相连，第一电感L1的另一端与第一二极管D1的阳极相连，第一二极管D1的阴极与滤波电容C1的一端相连，第一开关管Q1的第一端分别与第一电感L1的另一端、第一二极管D1的阳极相连，第一开关管Q1的第二端与滤波电容C1的另一端相连后与整流电路的负输出端相连。第二升压支路由第二电感L2、第二二极管D2和第二开关管Q2组成，其中，第二电感L2的一端与整流电路的正输出端相连，第二电感L2的另一端与第二二极管D2的阳极相连，第二二极管D2的阴极与滤波电容C1的一端相连，第二开关管Q2的第一端分别与第二电感L2的另一端、第二二极管D2的阳极相连，第二开关管Q2的第二端与滤波电容C1的另一端相连后与整流电路的负输出端相连。
在每个升压支路中，当开关管导通时，电感充电存储能量；当开关管关断时，电感通过二极管放电以给滤波电容充电。两个升压支路依次工作，其中，第一开关管Q1和第二开关管Q2的PWM控制信号的相位相差180°，从而实现功率因数校正电路的交错工作。由于交错式功率因数校正电路采用多个小功率的升压支路实现升压功能，与大功率的功率因数校正电路相比，降低了功率因数校正电路对功率器件如开关管性能的要求，并且在相同纹波电路的情况下，可以降低电感的体积。
图2是根据本发明实施例的交错式功率因数校正电路的控制方法的流程图。如图2所示，该交错式功率因数校正电路的控制方法包括以下步骤：
S1，采样整流电路输入到多个升压支路的电压值VAC，并采样多个升压支路的总输出电压值VDC。
S2，采样多个升压支路的总输入电流值IAC，并采样每个升压支路工作时的电流值。
具体地，如图3所示，整流电路输入到多个升压支路的电压值VAC可以通过第一电压采样单元如第五运算放大器OP5进行采样获取。多个升压支路的总输出电压值VDC可以通过由第三电阻R3、第四电阻R4和第四运算放大器OP4构成的第二电压采样单元进行采样获取，其中，第三电阻R3和第四电阻R4串联后与滤波电容C1并联，第四运算放大器OP4的输入端并联在第四电阻R4的两端。多个升压支路的总输入电流值IAC可以通过由第五电阻R5和第三运算放大器OP3构成的第一电流采样单元进行采样获取，其中，第五电阻R5串联在整流电路的负输出端与滤波电容C1的另一端之间。第一升压支路工作时的电流值可以通过由第一电阻R1和第一运算放大器OP1构成的电流采样单元进行采样获取，其中，第一电阻R1串联在第一开关管Q1的第二端与滤波电容C1的另一端之间。第二升压支路工作时的电流值可以通过由第二电阻R2和第二运算放大器OP2构成的电流采样单元进行采样获取，其中，第二电阻R2串联在第二开关管Q2的第二端与滤波电容C1的另一端之间。
S3，根据电压值VAC、总输出电压值VDC、总输入电流值IAC以及预设的输出电压参考值VDC_REF计算总电流参考值Is_REF，并对总电流参考值Is_REF进行平均分配以获得输出到每个升压支路的电流参考值IQ_REF，以及根据电流参考值IQ_REF和采样到的相应升压支路工作时的电流值调节输出到相应升压支路的开关管的PWM控制信号。
具体地，在实际电路中，由于各个升压支路的阻抗特性存在差异，使得每个升压支路工作时的电流值不同，如果仍采用对称占空比的PWM控制信号对多个升压支路进行控制，则将使得交错式功率因数校正电路长期工作在不平衡电流下，导致器件发热不均，当不平衡电流超过器件允许的最大电流时，将导致器件损坏，降低交错式功率因数校正电路的可靠性。因此，本发明采用电压电流双闭环控制，即通过电流内环控制PWM控制信号的相位，通过电压外环控制总输出电压幅值，并且电流闭环控制是在每个升压支路中设置独立的电流内环，其中，当升压支路工作时的电流值大于电流参考值IQ_REF时，减少该升压支路的PWM控制信号的占空比；当升压支路工作时的电流值小于电流参考值IQ_REF时，增大该升压支路的PWM控制信号的占空比，从而保证交错式功率因数校正电路的电流平衡，有效防止因电流不平衡导致的电路可靠性差的问题。
具体而言，如图3所示，交错式功率因数校正电路的控制系统包括功率因数校正单元、均流控制单元、三角波发生单元、移相单元、第一电流调节单元和第二电流调节单元，其中，功率因数校正单元通过采集的多个升压支路的电压值VAC、多个升压支路的总输出电压值VDC、多个升压支路的总输入电流值IAC以及预设的输出电压参考值VDC_REF，并根据电路输入功率因数计算多个升压支路的总电流参考值Is_REF。均流控制单元根据升压支路的个数对总电流参考值Is_REF进行平均分配以获得输出到每个升压支路的电流参考值IQ_REF。三角波发生单元根据预设的载波频率产生三角波信号，并作为第一电流调节单元和第二电流调节单元的输入信号。移相单元对升压支路的PWM控制信号的相位进行控制，以使功率因数校正电路工作于交错模式，例如，可以设定第二升压支路的三角波信号的相位为0°，则第一升压支路的三角波信号的相位通过移相单元移相后延迟180°。第一电流调节单元通过比较第一升压支路工作时的电流值、第一升压支路的电流参考值和经过移相后的三角波信号，以输出第一开关管Q1的PWM控制信号，从而对第一开关管Q1进行控制。第二电流调节单元通过比较第二升压支路工作时的电流值、第二升压支路的电流参考值和三角波信号，以输出第二开关管Q2的PWM控制信号，从而对第二开关管Q2进行控制。
根据本发明的一个实施例，根据电压值VAC、总输出电压值VDC、总输入电流值IAC以及预设的输出电压参考值VDC_REF计算总电流参考值Is_REF，具体包括：计算预设的输出电压参考值VDC_REF与总输出电压值VDC之间的电压误差值，并对电压误差值进行PI调节以获得电压基准值VDC_PI；根据电压基准值VDC_PI和电压值VAC获得电流基准值IAC_PI；计算电流基准值IAC_PI与总输入电流值IAC之间的第一电流误差值，并对第一电流误差值进行PI调节以获得总电流参考值Is_REF。
根据本发明的一个实施例，根据电压基准值VDC_PI和电压值VAC获得电流基准值IAC_PI，具体包括：对电压值VAC进行平均计算以获得第一值，并对第一值进行平方计算以获得第二值；将电压基准值VDC_PI与电压值VAC相乘以获得第三值；将第三值除以第二值以获得电流基准值IAC_PI。
具体地，如图4所示，第一电流误差计算器SUM1对预设的输出电压参考值VDC_REF和多个升压支路的总输出电压值VDC进行误差计算，第一PI调节器PI1对计算的电压误差值进行调节得到电压基准值VDC_PI，控制交错式功率因数校正电路的输出电压稳定在目标值。平均值计算器Mean对多个升压支路的电压值VAC进行平均计算以获得第一值，第二乘法器MUL2对第一值进行平方计算以获得第二值，第一乘法器MUL1将电压基准值VDC_PI与多个升压支路的电压值VAC相乘以获得第三值，除法器DIV将第三值除以第二值以获得电流基准值IAC_PI，即其中，电流基准值IAC_PI的相位与多个升压支路的电压值VAC的相位相同。第二电流误差计算器SUM2对电流基准值IAC_PI和多个升压支路的总输入电流值IAC进行误差计算，第二PI调节器PI2对计算的第一电流误差值进行调节得到总电流参考值Is_REF，使得输入电流相位跟随输入电压相位。
根据本发明的一个实施例，根据电流参考值IQ_REF和采样到的相应升压支路工作时的电流值调节输出到相应升压支路的开关管的PWM控制信号，具体包括：计算电流参考值IQ_REF与相应升压支路工作时的电流值之间的第二电流误差值，并对第二电流误差值进行PI调节以获得电流调节指令值；获取三角波信号，并根据电流调节指令值和获取的三角波信号调节输出到相应升压支路的开关管的PWM控制信号。
根据本发明的一个实施例，根据电流调节指令值和获取的三角波信号调节输出到相应升压支路的开关管的PWM控制信号，具体包括：对电流调节指令值和三角波信号进行比较；在三角波信号的上升沿，如果电流调节指令值大于三角波信号的幅值，则输出有效电平；在三角波信号的下降沿，如果电流调节指令值小于三角波信号的幅值，则输出无效电平。
根据本发明的一个实施例，三角波信号的载波频率等于PWM控制信号的载波频率。
具体地，如图5所示，电流误差计算器SUM对电流参考值IQ_REF和相应升压支路工作时的电流值IQ_FB进行误差计算，PI调节器PI对计算的第二电流误差值进行调节得到电流调节指令值，并输入到PWM占空比生成器CMP，PWM占空比生成器CMP对电流调节指令值和三角波信号进行比较，在三角波信号的上升沿，如果电流调节指令值大于三角波信号的幅值，则输出有效电平；在三角波信号的下降沿，如果电流调节指令值小于三角波信号的幅值，则输出无效电平。其中，三角波信号的频率可以等于PWM控制信号的载波频率。
进一步地，如图6所示，交错式功率因数校正电路的控制过程包括以下步骤：
S101，设定输出电压参考值VDC_REF。
S102，读取总输出电压值VDC。
S103，总输出电压值VDC与设定的输出电压参考值VDC_REF相减，得到电压误差值。
S104，PI调节器调节电压误差值，得到电压基准值VDC_PI。
S105，读取电压值VAC。
S106，电压基准值VDC_PI与电压值VAC的乘积除以电压值VAC平均值的平方，得到电流基准值IAC_PI。
S107，读取总输入电流值IAC。
S108，总输入电流值IAC与电流基准值IAC_PI相减，得到第一电流误差值。
S109，PI调节器调节第一电流误差值，得到总电流参考值Is_REF。
S110，将总电流参考值Is_REF除以升压支路的个数得到电流参考值IQ_REF。
S111，读取第一升压支路工作时的电流值IQ_FB1。
S112，第一升压支路工作时的电流值IQ_FB1与电流参考值IQ_REF相减，得到第二电流误差值。
S113，PI调节器调节第二电流误差值，得到电流调节指令值IQ1_PI。
S114，根据电流调节指令值IQ1_PI计算第一升压支路PWM控制信号的占空比。
S115，读取第二升压支路工作时的电流值IQ_FB2。
S116，第二升压支路工作时的电流值IQ_FB2与电流参考值IQ_REF相减，得到第二电流误差值。
S117，PI调节器调节第二电流误差值，得到电流调节指令值IQ2_PI。
S118，根据电流调节指令值IQ2_PI计算第二升压支路PWM控制信号的占空比。
此外，根据本发明的具体示例，如图7所示，在该交错式功率因数校正电路中省略了一个升压支路的电流采样单元，被省略的升压支路工作时的电流值可以通过总输入电流值IAC和其它升压支路工作时的电流值计算获得，从而在一定程度上降低了成本。如图8所示，也可以采用开环控制方式对交错式功率因数校正电路进行控制，以动态调节PWM控制信号的占空比。具体控制方式这里就不再描述。
综上所述，根据本发明实施例的交错式功率因数校正电路的控制方法，首先采样整流电路输入到多个升压支路的电压值VAC，并采样多个升压支路的总输出电压值VDC，以及采样多个升压支路的总输入电流值IAC和每个升压支路工作时的电流值，然后根据电压值VAC、总输出电压值VDC、总输入电流值IAC以及预设的输出电压参考值VDC_REF计算总电流参考值Is_REF，并对总电流参考值Is_REF进行平均分配以获得输出到每个升压支路的电流参考值IQ_REF，以及根据电流参考值IQ_REF和采样到的相应升压支路工作时的电流值调节输出到相应升压支路的开关管的PWM控制信号，从而使得功率因数校正电路的电流达到平衡，解决了电路电流不平衡问题，有效地防止了电路长期工作在不平衡状态下导致电路老化甚至失效，提高了电路的可靠性，同时，采用均流控制方式对每个升压支路工作时的电流值进行控制，与传统的占空比补偿均流控制相比，谐波电流更低，抗干扰能力更强。另外，该控制方法使得电路的控制更加精确，输出纹波更小，谐波含量更低。
图9是根据本发明实施例的交错式功率因数校正电路的电路图。如图9所示，该交错式功率因数校正电路包括：多个升压支路、第一电压采样单元10、第二电压采样单元20、第一电流采样单元30、多个第二电流采样单元和控制模块50。
其中，多个升压支路中的每个升压支路的输入端均与整流电路60的输出端相连，每个升压支路由电感、开关管和二极管组成。第一电压采样单元10用于采样整流电路60输入到多个升压支路的电压值VAC。第二电压采样单元20用于采样多个升压支路的总输出电压值VDC。第一电流采样单元30用于采样多个升压支路的总输入电流值IAC。多个第二电流采样单元中的每个第二电流采样单元分别用于对应采样每个升压支路工作时的电流值。控制模块50用于根据电压值VAC、总输出电压值VDC、总输入电流值IAC以及预设的输出电压参考值VDC_REF计算总电流参考值Is_REF，并对总电流参考值Is_REF进行平均分配以获得输出到每个升压支路的电流参考值IQ_REF，以及根据电流参考值IQ_REF和采样到的相应升压支路工作时的电流值调节输出到相应升压支路的开关管的PWM控制信号。
具体地，在实际使用过程中，交错式功率因数校正电路中的升压支路的个数按照所需功率和电流纹波要求确定，为了便于说明，本发明以并联两个升压支路的交错式功率因数校正电路作为分析说明对象。
如图1所示，第一升压支路由第一电感L1、第一二极管D1和第一开关管Q1组成，其中，第一电感L1的一端与整流电路60的正输出端相连，第一电感L1的另一端与第一二极管D1的阳极相连，第一二极管D1的阴极与滤波电容C1的一端相连，第一开关管Q1的第一端分别与第一电感L1的另一端、第一二极管D1的阳极相连，第一开关管Q1的第二端与滤波电容C1的另一端相连后与整流电路60的负输出端相连。第二升压支路由第二电感L2、第二二极管D2和第二开关管Q2组成，其中，第二电感L2的一端与整流电路60的正输出端相连，第二电感L2的另一端与第二二极管D2的阳极相连，第二二极管D2的阴极与滤波电容C1的一端相连，第二开关管Q2的第一端分别与第二电感L2的另一端、第二二极管D2的阳极相连，第二开关管Q2的第二端与滤波电容C1的另一端相连后与整流电路60的负输出端相连。
在每个升压支路中，当开关管导通时，电感充电存储能量；当开关管关断时，电感通过二极管放电以给滤波电容充电。两个升压支路依次工作，其中，第一开关管Q1和第二开关管Q2的PWM控制信号的相位相差180°，从而实现功率因数校正电路的交错工作。由于交错式功率因数校正电路采用多个小功率的升压支路实现升压功能，与大功率的功率因数校正电路相比，降低了功率因数校正电路对功率器件如开关管性能的要求，并且在相同纹波电路的情况下，可以降低电感的体积。
由于实际电路各个升压支路的阻抗特性存在差异，使得每个升压支路工作时的电流值不同，如果仍采用对称占空比的PWM控制信号对多个升压支路进行控制，则将使得交错式功率因数校正电路长期工作在不平衡电流下，导致器件发热不均，当不平衡电流超过器件允许的最大电流时，将导致器件损坏，降低交错式功率因数校正电路的可靠性。因此，本发明采用电压电流双闭环控制，即通过电流内环控制PWM控制信号的相位，通过电压外环控制总输出电压幅值，并且电流闭环控制是在每个升压支路中设置独立的电流内环，其中，当升压支路工作时的电流值大于电流参考值IQ_REF时，减少该升压支路的PWM控制信号的占空比；当升压支路工作时的电流值小于电流参考值IQ_REF时，增大该升压支路的PWM控制信号的占空比，从而保证交错式功率因数校正电路的电流平衡，有效防止因电流不平衡导致的电路可靠性差的问题。
具体而言，如图9所示，整流电路60输入到多个升压支路的电压值VAC可以通过第一电压采样单元10如第五运算放大器OP5进行采样获取。多个升压支路的总输出电压值VDC可以通过由第三电阻R3、第四电阻R4和第四运算放大器OP4构成的第二电压采样单元20进行采样获取，其中，第三电阻R3和第四电阻R4串联后与滤波电容C1并联，第四运算放大器OP4的输入端并联在第四电阻R4的两端。多个升压支路的总输入电流值IAC可以通过由第五电阻R5和第三运算放大器OP3构成的第一电流采样单元30进行采样获取，其中，第五电阻R5串联在整流电路的负输出端与滤波电容C1的另一端之间。第一升压支路工作时的电流值可以通过由第一电阻R1和第一运算放大器OP1构成的电流采样单元41进行采样获取，其中，第一电阻R1串联在第一开关管Q1的第二端与滤波电容C1的另一端之间。第二升压支路工作时的电流值可以通过由第二电阻R2和第二运算放大器OP2构成的电流采样单元42进行采样获取，其中，第二电阻R2串联在第二开关管Q2的第二端与滤波电容C1的另一端之间。控制模块50根据电压值VAC、总输出电压值VDC、总输入电流值IAC以及预设的输出电压参考值VDC_REF计算总电流参考值Is_REF，并对总电流参考值Is_REF进行平均分配以获得输出到每个升压支路的电流参考值IQ_REF，以及根据电流参考值IQ_REF和采样到的相应升压支路工作时的电流值调节输出到相应升压支路的开关管的PWM控制信号。
根据本发明的一个实施例，如图9所示，控制模块50包括功率因数校正单元51、均流控制单元52、多个电流调节单元(如第一电流调节单元531和第二电流调节单元532)和三角波发生单元54，其中，功率因数校正单元51进一步包括电压调节环节501、鉴相器502和电流调节环节503，电压调节环节501用于计算预设的输出电压参考值VDC_REF与总输出电压值VDC之间的电压误差值，并对电压误差值进行PI调节以获得电压基准值VDC_PI；鉴相器502用于根据电压基准值VDC_PI和电压值VAC获得电流基准值IAC_PI；电流调节环节503用于计算电流基准值IAC_PI与总输入电流值IAC之间的第一电流误差值，并对第一电流误差值进行PI调节以获得总电流参考值Is_REF。
根据本发明的一个实施例，鉴相器502具体包括平均值计算器Mean、第一乘法器MUL1、第二乘法器MUL2和除法器DIV，其中，平均值计算器Mean用于对电压值VAC进行平均计算以获得第一值，第一乘法器MUL1用于对第一值进行平方计算以获得第二值，第二乘法器MUL2用于将电压基准值VDC_PI与电压值VAC相乘以获得第三值，除法器DIV用于将第三值除以第二值以获得电流基准值IAC_PI。
具体地，如图9所示，控制模块50还包括移相单元55。其中，功率因数校正单元51通过采集的多个升压支路的电压值VAC、多个升压支路的总输出电压值VDC、多个升压支路的总输入电流值IAC以及预设的输出电压参考值VDC_REF，并根据电路输入功率因数计算多个升压支路的总电流参考值Is_REF。具体而言，如图10所示，功率因数校正单元51由电压调节环节501、鉴相器502和电流调节环节503组成，其中，电压调节环501由第一误差计算器SUM1和第一PI调节器PI1组成，第一电流误差计算器SUM1对预设的输出电压参考值VDC_REF和多个升压支路的总输出电压值VDC进行误差计算，第一PI调节器PI1对计算的电压误差值进行调节得到电压基准值VDC_PI，控制交错式功率因数校正电路的输出电压稳定在目标值。鉴相器502由平均值计算器Mean、第一乘法器MUL1、第二乘法器MUL2和除法器DIV组成，平均值计算器Mean对多个升压支路的电压值VAC进行平均计算以获得第一值，第二乘法器MUL2对第一值进行平方计算以获得第二值，第一乘法器MUL1将电压基准值VDC_PI与多个升压支路的电压值VAC相乘以获得第三值，除法器DIV将第三值除以第二值以获得电流基准值IAC_PI，即其中，电流基准值IAC_PI的相位与多个升压支路的电压值VAC的相位相同。电流调节环503由第二误差计算器SUM2和第二PI调节器PI2组成，第二电流误差计算器SUM2对电流基准值IAC_PI和多个升压支路的总输入电流值IAC进行误差计算，第二PI调节器PI2对计算的第一电流误差值进行调节得到总电流参考值Is_REF，使得输入电流相位跟随输入电压相位。
均流控制单元52根据升压支路的个数对总电流参考值Is_REF进行平均分配以获得输出到每个升压支路的电流参考值IQ_REF。三角波发生单元54根据预设的载波频率产生三角波信号，并作为第一电流调节单元531和第二电流调节单元532的输入信号。移相单元55对升压支路的PWM控制信号的相位进行控制，以使功率因数校正电路工作于交错模式，例如，可以设定第二升压支路的三角波信号的相位为0°，则第一升压支路的三角波信号的相位通过移相单元55移相后延迟180°。第一电流调节单元531通过比较第一升压支路工作时的电流值、第一升压支路的电流参考值和经过移相后的三角波信号，以输出第一开关管Q1的PWM控制信号，从而对第一开关管Q1进行控制。第二电流调节单元532通过比较第二升压支路工作时的电流值、第二升压支路的电流参考值和三角波信号，以输出第二开关管Q2的PWM控制信号，从而对第二开关管Q2进行控制。
根据本发明的一个实施例，多个电流调节单元的结构相同，且每个电流调节单元具体包括电流误差计算器SUM、PI调节器PI和PWM占空比生成器CMP，其中，电流误差计算器SUM用于计算电流参考值IQ_REF与相应升压支路工作时的电流值之间的第二电流误差值，PI调节器PI用于对第二电流误差值进行PI调节以获得电流调节指令值，PWM占空比生成器CMP用于根据电流调节指令值和三角波发生单元生成的三角波信号调节输出到相应升压支路的开关管的PWM控制信号。
根据本发明的一个实施例，PWM占空比生成器CMP进一步用于对电流调节指令值和三角波信号进行比较，其中，在三角波信号的上升沿，如果电流调节指令值大于三角波信号的幅值，PWM占空比生成器则输出有效电平；在三角波信号的下降沿，如果电流调节指令值小于三角波信号的幅值，PWM占空比生成器则输出无效电平。
根据本发明的一个实施例，三角波信号的载波频率等于PWM控制信号的载波频率。
具体地，如图5所示，电流误差计算器SUM对电流参考值IQ_REF和相应升压支路工作时的电流值IQ_FB进行误差计算，PI调节器PI对计算的第二电流误差值进行调节得到电流调节指令值，并输入到PWM占空比生成器CMP，PWM占空比生成器CMP对电流调节指令值和三角波信号进行比较，在三角波信号的上升沿，如果电流调节指令值大于三角波信号的幅值，则输出有效电平；在三角波信号的下降沿，如果电流调节指令值小于三角波信号的幅值，则输出无效电平。其中，三角波信号的频率可以等于PWM控制信号的载波频率。
根据本发明的一个具体示例，交错式功率因数校正电路的控制过程如图6所示。首先设定输出电压参考值VDC_REF，并读取总输出电压值VDC、电压值VAC、总输入电流值IAC、第一升压支路工作时的电流值IQ_FB1和第二升压支路工作时的电流值IQ_FB2，然后将总输出电压值VDC与设定的输出电压参考值VDC_REF相减得到电压误差值，PI调节器调节该电压误差值得到电压基准值VDC_PI，电压基准值VDC_PI与电压值VAC的乘积除以电压值VAC平均值的平方得到电流基准值IAC_PI。总输入电流值IAC与电流基准值IAC_PI相减到第一电流误差值，PI调节器调节第一电流误差值得到总电流参考值Is_REF，将总电流参考值Is_REF除以升压支路的个数得到电流参考值IQ_REF。第一升压支路工作时的电流值IQ_FB1与电流参考值IQ_REF相减得到第二电流误差值，PI调节器调节第二电流误差值得到电流调节指令值IQ1_PI，最后根据电流调节指令值IQ1_PI计算第一升压支路PWM控制信号的占空比，以对第一开关管Q1进行控制，同时，第二升压支路工作时的电流值IQ_FB2与电流参考值IQ_REF相减得到第二电流误差值，PI调节器调节第二电流误差值得到电流调节指令值IQ2_PI，最后根据电流调节指令值IQ2_PI计算第二升压支路PWM控制信号的占空比，以对第二开关管Q2进行控制。
此外，根据本发明的具体示例，如图7所示，在该交错式功率因数校正电路中省略了一个升压支路的电流采样单元，被省略的升压支路工作时的电流值可以通过总输入电流值IAC和其它升压支路工作时的电流值计算获得，从而在一定程度上降低了成本。如图8所示，也可以采用开环控制方式对交错式功率因数校正电路进行控制，以动态调节PWM控制信号的占空比。具体工作过程这里就不再描述。
根据本发明实施例的交错式功率因数校正电路，通过第一电压采样单元采样整流电路输入到多个升压支路的电压值VAC，并通过第二电压采样单元采样多个升压支路的总输出电压值VDC，以及通过第一电流采样单元采样多个升压支路的总输入电流值IAC，通过多个第二电流采样单元中的每个第二电流采样单元分别对应采样每个升压支路工作时的电流值，控制模块根据电压值VAC、总输出电压值VDC、总输入电流值IAC以及预设的输出电压参考值VDC_REF计算总电流参考值Is_REF，并对总电流参考值Is_REF进行平均分配以获得输出到每个升压支路的电流参考值IQ_REF，以及根据电流参考值IQ_REF和采样到的相应升压支路工作时的电流值调节输出到相应升压支路的开关管的PWM控制信号，从而使得功率因数校正电路的电流达到平衡，解决了电路电流不平衡问题，有效地防止了电路长期工作在不平衡状态下导致电路老化甚至失效，提高了电路的可靠性，同时，控制模块采用均流控制方式对每个升压支路工作时的电流值进行控制，与传统的占空比补偿均流控制相比，谐波电流更低，抗干扰能力更强。而且该电路的控制精确更高，输出纹波更小，谐波含量更低。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (12)

1.一种交错式功率因数校正电路的控制方法，其特征在于，所述交错式功率因数校正电路包括多个升压支路，所述多个升压支路中的每个升压支路的输入端均与整流电路的输出端相连，所述每个升压支路由电感、开关管和二极管组成，所述控制方法包括以下步骤：
采样所述整流电路输入到所述多个升压支路的电压值VAC，并采样所述多个升压支路的总输出电压值VDC；
采样所述多个升压支路的总输入电流值IAC，并采样所述每个升压支路工作时的电流值；
根据所述电压值VAC、所述总输出电压值VDC、所述总输入电流值IAC以及预设的输出电压参考值VDC_REF计算总电流参考值Is_REF，并对所述总电流参考值Is_REF进行平均分配以获得输出到所述每个升压支路的电流参考值IQ_REF，以及根据所述电流参考值IQ_REF和采样到的相应升压支路工作时的电流值调节输出到所述相应升压支路的开关管的PWM控制信号。
2.如权利要求1所述的交错式功率因数校正电路的控制方法，其特征在于，根据所述电压值VAC、所述总输出电压值VDC、所述总输入电流值IAC以及预设的输出电压参考值VDC_REF计算总电流参考值Is_REF，具体包括：
计算所述预设的输出电压参考值VDC_REF与所述总输出电压值VDC之间的电压误差值，并对所述电压误差值进行PI调节以获得电压基准值VDC_PI；
根据所述电压基准值VDC_PI和所述电压值VAC获得电流基准值IAC_PI；
计算所述电流基准值IAC_PI与所述总输入电流值IAC之间的第一电流误差值，并对所述第一电流误差值进行PI调节以获得所述总电流参考值Is_REF。
3.如权利要求2所述的交错式功率因数校正电路的控制方法，其特征在于，根据所述电压基准值VDC_PI和所述电压值VAC获得电流基准值IAC_PI，具体包括：
对所述电压值VAC进行平均计算以获得第一值，并对所述第一值进行平方计算以获得第二值；
将所述电压基准值VDC_PI与所述电压值VAC相乘以获得第三值；
将所述第三值除以所述第二值以获得所述电流基准值IAC_PI。
4.如权利要求2或3所述的交错式功率因数校正电路的控制方法，其特征在于，根据所述电流参考值IQ_REF和采样到的相应升压支路工作时的电流值调节输出到所述相应升压支路的开关管的PWM控制信号，具体包括：
计算所述电流参考值IQ_REF与所述相应升压支路工作时的电流值之间的第二电流误差值，并对所述第二电流误差值进行PI调节以获得电流调节指令值；
获取三角波信号，并根据所述电流调节指令值和获取的三角波信号调节输出到所述相应升压支路的开关管的PWM控制信号。
5.如权利要求4所述的交错式功率因数校正电路的控制方法，其特征在于，根据所述电流调节指令值和获取的三角波信号调节输出到所述相应升压支路的开关管的PWM控制信号，具体包括：
对所述电流调节指令值和所述三角波信号进行比较；
在所述三角波信号的上升沿，如果所述电流调节指令值大于所述三角波信号的幅值，则输出有效电平；
在所述三角波信号的下降沿，如果所述电流调节指令值小于所述三角波信号的幅值，则输出无效电平。
6.如权利要求4所述的交错式功率因数校正电路的控制方法，其特征在于，所述三角波信号的载波频率等于所述PWM控制信号的载波频率。
7.一种交错式功率因数校正电路，其特征在于，包括：
多个升压支路，所述多个升压支路中的每个升压支路的输入端均与整流电路的输出端相连，所述每个升压支路由电感、开关管和二极管组成；
第一电压采样单元，用于采样所述整流电路输入到所述多个升压支路的电压值VAC；
第二电压采样单元，用于采样所述多个升压支路的总输出电压值VDC；
第一电流采样单元，用于采样所述多个升压支路的总输入电流值IAC；
多个第二电流采样单元，所述多个第二电流采样单元中的每个第二电流采样单元分别用于对应采样所述每个升压支路工作时的电流值；
控制模块，用于根据所述电压值VAC、所述总输出电压值VDC、所述总输入电流值IAC以及预设的输出电压参考值VDC_REF计算总电流参考值Is_REF，并对所述总电流参考值Is_REF进行平均分配以获得输出到所述每个升压支路的电流参考值IQ_REF，以及根据所述电流参考值IQ_REF和采样到的相应升压支路工作时的电流值调节输出到所述相应升压支路的开关管的PWM控制信号。
8.如权利要求7所述的交错式功率因数校正电路，其特征在于，所述控制模块包括功率因数校正单元、均流控制单元、多个电流调节单元和三角波发生单元，其中，所述功率因数校正单元进一步包括：
电压调节环节，用于计算所述预设的输出电压参考值VDC_REF与所述总输出电压值VDC之间的电压误差值，并对所述电压误差值进行PI调节以获得电压基准值VDC_PI；
鉴相器，用于根据所述电压基准值VDC_PI和所述电压值VAC获得电流基准值IAC_PI；
电流调节环节，用于计算所述电流基准值IAC_PI与所述总输入电流值IAC之间的第一电流误差值，并对所述第一电流误差值进行PI调节以获得所述总电流参考值Is_REF。
9.如权利要求8所述的交错式功率因数校正电路，其特征在于，所述鉴相器具体包括：
平均值计算器，用于对所述电压值VAC进行平均计算以获得第一值；
第一乘法器，用于对所述第一值进行平方计算以获得第二值；
第二乘法器，用于将所述电压基准值VDC_PI与所述电压值VAC相乘以获得第三值；
除法器，用于将所述第三值除以所述第二值以获得所述电流基准值IAC_PI。
10.如权利要求8或9所述的交错式功率因数校正电路，其特征在于，所述多个电流调节单元的结构相同，且每个电流调节单元具体包括：
电流误差计算器，用于计算所述电流参考值IQ_REF与所述相应升压支路工作时的电流值之间的第二电流误差值；
PI调节器，用于对所述第二电流误差值进行PI调节以获得电流调节指令值；
PWM占空比生成器，用于根据所述电流调节指令值和所述三角波发生单元生成的三角波信号调节输出到所述相应升压支路的开关管的PWM控制信号。
11.如权利要求10所述的交错式功率因数校正电路，其特征在于，所述PWM占空比生成器进一步用于对所述电流调节指令值和所述三角波信号进行比较，其中，
在所述三角波信号的上升沿，如果所述电流调节指令值大于所述三角波信号的幅值，所述PWM占空比生成器则输出有效电平；
在所述三角波信号的下降沿，如果所述电流调节指令值小于所述三角波信号的幅值，所述PWM占空比生成器则输出无效电平。
12.如权利要求10所述的交错式功率因数校正电路，其特征在于，所述三角波信号的载波频率等于所述PWM控制信号的载波频率。
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