CN105226932A - 高效率功率因数校正电路拓扑结构及其控制方法 - Google Patents

高效率功率因数校正电路拓扑结构及其控制方法 Download PDF

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陈息坤
陈小虎
赵晨宇
杨成子
黄萍
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Abstract

本发明提供一种高效率功率因数校正电路拓扑结构及其控制方法，该拓扑结构包括一个电感等，电感的第一端连接到市电正弦交流电源的第一端，电感的第二端连接到第一功率半导体开关和第一二极管的连接处的中点，市电正弦交流电源的第二端连接到第二功率半导体开关和第二二极管的连接处的中点，第一功率半导体开关和第一二极管串联然后并联到输出直流电压的正端和负端；第二功率半导体开关和第二二极管串联然后并联到输出直流电压的正端和负端，输出稳压电容跨接在输出直流电压的正端和负端。本发明不仅降低了开关损耗，也降低了导通损耗，变换器效率得到了提高。

Description

高效率功率因数校正电路拓扑结构及其控制方法
技术领域
本发明涉及电力电子变换器及其控制技术领域，特别是涉及一种高效率功率因数校正电路拓扑结构及其控制方法。
背景技术
汽车工业是衡量一个国家工业实力的标杆性工业。汽车工业的飞速发展带来的高消耗、高排放给资源和环境带来了极大的压力。随着能源问题和资源枯竭问题以及大气污染问题的加剧，我国已将新能源汽车确立为战略性新兴产业，车载充电机作为混合动力电动汽车（HEV）的核心部件，其研究具有重要的工程应用价值。
前级AC/DC和后级DC/DC相结合的车载充电机拓扑结构是当前最常见的拓扑。当车载充电机接入电网时，会产生一定的谐波，污染电网，同时影响其他用电设备的工作稳定性。尤其是有些车载充电机的前级AC/DC采用传统的单相不控整流致使输入电流波形呈脉冲状，向电网注入大量的谐波，不能满足用电设备谐波限制标准的要求。为了满足谐波限制标准，有的学者提出采用传统单相不控整流加升压电路作为车载充电机的前级AC/DC，但是这种拓扑采用了两级电路，限制了车载充电机效率的进一步提高。
发明内容
本发明的目的在于针对已有的缺陷，提供一种高效率功率因数校正电路拓扑结构及其控制方法，本发明中的功率因数校正电路拓扑是一种高输入功率因数的高效率、高性能功率因数校正电路拓扑。本发明中将功率因数校正电路等效为两个对称的升压电路来实施控制的控制方法思路清晰，原理简单明了易于实现，且整个系统具有极好的对称性。
为了达到上述目的，本发明采用下述的技术方案：一种高效率功率因数校正电路拓扑结构，其特征在于，所述高效率功率因数校正电路拓扑结构包括一个电感、一个第一功率半导体开关、一个第一二极管、一个第二功率半导体开关、一个第二二极管、一个输出稳压电容，电感的第一端连接到市电正弦交流电源的第一端，电感的第二端连接到第一功率半导体开关和第一二极管的连接处的中点，市电正弦交流电源的第二端连接到第二功率半导体开关和第二二极管的连接处的中点，第一功率半导体开关和第一二极管串联然后并联到输出直流电压的正端和负端；第二功率半导体开关和第二二极管串联然后并联到输出直流电压的正端和负端，输出稳压电容跨接在输出直流电压的正端和负端。
优选地，所述高效率功率因数校正电路拓扑结构由一个控制系统进行控制，控制系统包括市电正弦交流电压锁相电路、电感电流检测电路、输出直流电压检测电路、温度检测电路、单片机、PFC控制信号调理电路以及驱动电路，一个市电正弦交流电源连接到市电正弦交流电压锁相电路，市电正弦交流电压锁相电路连接到单片机，输出直流电压连接到输出直流电压检测电路，输出直流电压检测电路连接到单片机，电感电流检测电路连接到PFC信号调理电路，单片机输出控制信号连接到PFC控制信号调理电路，PFC控制信号调理电路连接到驱动电路，驱动电路分别连接到第一功率半导体开关的控制端和第二功率半导体开关的控制端，温度检测电路连接到单片机。
优选地，所述高效率功率因数校正电路拓扑结构的工作过程中，在市电正弦交流电源的正半周，电感、第一功率半导体开关和第一二极管以及输出稳压电容构成正半周的升压电路；在正弦交流电源的负半周，电感、第二功率半导体开关和第二二极管以及输出稳压电容构成负半周的升压电路。
优选地，所述市电正弦交流电压锁相电路在市电正弦交流电压正半周时输出低电平，在市电正弦交流电压负半周时输出高电平。
优选地，所述电感电流检测电路通过霍尔传感器获取精确的电感电流信号，并通过滤波、精密整流得到馒头波状的电流信号。
优选地，所述输出直流电压检测电路通过跨接在输出稳压电容两端的分压电阻获知输出直流电压信号。
优选地，所述单片机通过捕获功能精确地取得市电正弦交流电压的相位和频率，从而得到一个与市电正弦交流电压同频率同相位的单位正弦表。
优选地，所述市电正弦交流电压锁相电路和单片机精确地获得市电正弦交流电压的过零点，单片机在过零点输出市电正弦交流电压正半周的有效信号或者市电正弦交流电压负半周的有效信号。
本发明还提供一种高效率功率因数校正电路拓扑结构的控制方法，其特征在于，其包括以下步骤：上位机通过CAN总线给车载充电机下发开机指令后，车载充电机开始工作；直流母线电压作为外环，流过电感电流作为内环；直流母线电压的采样值与给定的参考电压进行比较，二者的误差经PI调节器输出后，再乘以与电网电压同相位的单位正弦电压，得到一个正弦电流给定指令*，将正弦电流给定指令送入PWM模块产生SPWM信号，单片机的PWM专用端口输出的SPWM信号经过模拟二阶有源滤波器滤波后得到基准电流加到电流滞环比较器；电感电流由电流霍尔传感器来检测，所检测的电流经运放放大、滤波、精密整流等处理后加到滞环比较器，滞环比较器的输出端输出PWM信号在市电正弦交流电源的正负半周分时控制本发明中的功率因数校正电路的功率半导体开关；滞环比较器输出的PWM控制信号与市电正弦交流电压正半周的有效信号作与运算得到第一功率半导体开关的控制信号，滞环比较器输出的PWM控制信号与市电正弦交流电压负半周的有效信号作与运算得到第二功率半导体开关的控制信号，上述的控制信号通过第一功率半导体开关和第二功率半导体开关各自专用的驱动电路分别施加于两个开关管的门极。
本发明与现有技术相比较，具有以下突出的特点及技术上的进步：传统的功率因数校正电路需要六个功率半导体开关，本发明中的功率因数校正的拓扑只用了四个功率半导体开关，节省了三分之一的功率半导体开关。传统的功率因数校正电路在每一个时刻都有三个功率半导体开关同时工作，而本发明中的功率因数校正拓扑只有两个功率半导体开关同时工作，不仅降低了开关损耗，也降低了导通损耗，变换器效率得到了提高，系统的散热减少了，更适合车载充电机这样的大功率应用场合。本发明的功率因数校正电路的控制方法中，功率因数校正电路被等效成两个完全对称的升压电路，可以采用控制升压的电路的方法控制功率因数校正电路，只需要产生一路PWM控制信号在市电正弦交流电压的正负半周分时控制两个功率半导体开关。在市电正弦交流电源的正半周，滞环比较器输出的PWM信号控制第一功率半导体开关，第二功率半导体开关保持关断，在市电正弦交流电源的负半周，滞环比较器输出的PWM信号控制第二功率半导体开关，第一功率半导体开关保持关断。
附图说明
图1为本发明高效率功率因数校正电路拓扑结构的结构图。
图2为本发明高效率功率因数校正电路拓扑结构的控制方法的工作原理图。
具体实施方式
本发明的一个优选实施例结合附图说明如下：
参见附图1，本实施例中是一种高效率功率因数校正电路拓扑结构及其控制方法。
高效率功率因数校正电路拓扑结构包括一个电感L1、一个第一功率半导体开关Q 1、一个第一二极管D 1、一个第二功率半导体开关Q 2、一个第二二极管D 2、一个输出稳压电容C 1，电感L1的第一端连接到市电正弦交流电源的第一端，电感L1的第二端连接到第一功率半导体开关Q 1和第一二极管D 1的连接处的中点，市电正弦交流电源的第二端连接到第二功率半导体开关Q 2和第二二极管D 2的连接处的中点，第一功率半导体开关Q 1和第一二极管D 1串联然后并联到输出直流电压的正端（+）和负端（-）；第二功率半导体开关Q 2和第二二极管D 2串联然后并联到输出直流电压的正端（+）和负端（-），输出稳压电容C 1跨接在输出直流电压的正端（+）和负端（-）。
高效率功率因数校正电路拓扑结构由一个控制系统进行控制，控制系统包括市电正弦交流电压锁相电路、电感电流检测电路、输出直流电压检测电路、温度检测电路、单片机（MCU）、PFC控制信号调理电路以及驱动电路，一个市电正弦交流电源连接到市电正弦交流电压锁相电路，市电正弦交流电压锁相电路连接到单片机，输出直流电压连接到输出直流电压检测电路，输出直流电压检测电路连接到单片机，电感电流检测电路连接到PFC信号调理电路，单片机输出控制信号连接到PFC控制信号调理电路，PFC控制信号调理电路连接到驱动电路，驱动电路分别连接到第一功率半导体开关Q1的控制端和第二功率半导体开关Q2的控制端，温度检测电路连接到单片机。
所述高效率功率因数校正电路拓扑结构的工作过程中，在市电正弦交流电源的正半周，电感L1、第一功率半导体开关Q 1和第一二极管D 1以及输出稳压电容C 1构成正半周的升压电路；在正弦交流电源的负半周，电感L1、第二功率半导体开关Q 2和第二二极管D 2以及输出稳压电容C 1构成负半周的升压电路。
所述市电正弦交流电压锁相电路在市电正弦交流电压正半周时输出低电平，在市电正弦交流电压负半周时输出高电平。市电正弦交流电压锁相电路可以精确地获知市电正弦交流电压的过零点。
所述电感电流检测电路通过霍尔传感器获取精确的电感电流信号，并通过滤波、精密整流得到馒头波状的电流信号。
所述输出直流电压检测电路通过跨接在输出稳压电容C 1两端的分压电阻获知输出直流电压信号。
所述单片机通过捕获功能精确地取得市电正弦交流电压的相位和频率，从而可以得到一个与市电正弦交流电压同频率同相位的单位正弦表。单片机通过集成的模数转换功能精确地取得输出直流电压信号，根据输出直流电压信号，单片机中的PI控制算法输出一个控制信号，然后再乘以单位正弦表中的值送至PWM功能块生成SPWM信号输出，SPWM信号经过模拟有源滤波器得到电流信号的给定接到滞环比较器的正输入端，前述检测得到的馒头波电流信号接到滞环比较器的负输入端，滞环比较器输出一路PWM控制信号。
所述市电正弦交流电压锁相电路和单片机可以精确地获得市电正弦交流电压的过零点，单片机在过零点输出市电正弦交流电压正半周的有效信号或者市电正弦交流电压负半周的有效信号。滞环比较器输出的PWM控制信号与市电正弦交流电压正半周的有效信号作与运算得到第一功率半导体开关Q 1的控制信号，滞环比较器输出的PWM控制信号与市电正弦交流电压负半周的有效信号作与运算得到第二功率半导体开关Q 2的控制信号，上述的控制信号通过第一功率半导体开关Q 1和第二功率半导体开关Q 2各自专用的驱动电路分别施加于两个开关管的门极。
所述电感L1采用二幅铁氧体磁芯叠加并使用漆包线绕制而成，第一功率半导体开关Q 1的型号和第二功率半导体开关Q 2的型号都采用IPZ65R019C7，第一二极管D 1的型号和第二二极管D 2的型号都采用1DW80C65D1，输入电流传感器采用的型号是LA55-TP，各个检测模块中使用的运放的型号是TL084，比较器采用的的型号是LM2901，单片机采用的型号是dsPIC33EP512MU810。
本实施例的高效率功率因数校正电路拓扑结构的控制方法包括如下步骤：上位机通过CAN总线给车载充电机下发开机指令后，车载充电机开始工作；如附图2所示，直流母线电压作为外环，流过电感电流作为内环；直流母线电压的采样值U f与给定的参考电压U ref进行比较，二者的误差经PI调节器输出后，再乘以与电网电压同相位的单位正弦电压sinωt，得到一个正弦电流给定指令i*，将正弦电流给定指令i*送入PWM模块产生SPWM（正弦脉宽调制）信号，单片机的PWM专用端口输出的SPWM信号经过模拟二阶有源滤波器滤波后得到基准电流加到电流滞环比较器。电感电流由电流霍尔传感器来检测，所检测的电流经运放放大、滤波、精密整流等处理后加到滞环比较器，滞环比较器的输出端输出PWM信号在市电正弦交流电源的正负半周分时控制本发明中的功率因数校正电路的功率半导体开关。滞环比较器输出的PWM控制信号与市电正弦交流电压正半周的有效信号作与运算得到第一功率半导体开关Q 1的控制信号，滞环比较器输出的PWM控制信号与市电正弦交流电压负半周的有效信号作与运算得到第二功率半导体开关Q 2的控制信号，上述的控制信号通过第一功率半导体开关Q 1和第二功率半导体开关Q 2各自专用的驱动电路分别施加于两个开关管的门极。
本发明最终实现直流母线电压的稳压和输入侧高功率因数的控制要求，并且单片机可以根据检测的输入信号来判断过热、过压、过流故障来对主电路实施保护。温度检测电路实时检测设备所处的环境温度，单片机根据温度范围及时对功率因数校正电路实施保护动作，保证车载设备安全可靠运行。
本发明是通过采样输入电流，通过PI电压外环和滞环电流内环的控制方法使得输入电流波形跟踪输入电压波形，从而达到高输入功率因数的目的，并且输出稳定的直流母线电压。该功率因数校正电路与传统的功率因数校正电路相比具有更高的效率和更低的成本，且该电路原理清晰，控制方法容易实现。
本发明不局限于上述具体实施方式，本领域的技术人员可以根据本发明公开的内容进行多种实施方式。应理解上述实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

Claims (9)

1.一种高效率功率因数校正电路拓扑结构，其特征在于，所述高效率功率因数校正电路拓扑结构包括一个电感、一个第一功率半导体开关、一个第一二极管、一个第二功率半导体开关、一个第二二极管、一个输出稳压电容，电感的第一端连接到市电正弦交流电源的第一端，电感的第二端连接到第一功率半导体开关和第一二极管的连接处的中点，市电正弦交流电源的第二端连接到第二功率半导体开关和第二二极管的连接处的中点，第一功率半导体开关和第一二极管串联然后并联到输出直流电压的正端和负端；第二功率半导体开关和第二二极管串联然后并联到输出直流电压的正端和负端，输出稳压电容跨接在输出直流电压的正端和负端。
2.根据权利要求1所述的高效率功率因数校正电路拓扑结构，其特征在于，所述高效率功率因数校正电路拓扑结构由一个控制系统进行控制，控制系统包括市电正弦交流电压锁相电路、电感电流检测电路、输出直流电压检测电路、温度检测电路、单片机、PFC控制信号调理电路以及驱动电路，一个市电正弦交流电源连接到市电正弦交流电压锁相电路，市电正弦交流电压锁相电路连接到单片机，输出直流电压连接到输出直流电压检测电路，输出直流电压检测电路连接到单片机，电感电流检测电路连接到PFC信号调理电路，单片机输出控制信号连接到PFC控制信号调理电路，PFC控制信号调理电路连接到驱动电路，驱动电路分别连接到第一功率半导体开关的控制端和第二功率半导体开关的控制端，温度检测电路连接到单片机。
3.根据权利要求2所述的高效率功率因数校正电路拓扑结构，其特征在于，所述高效率功率因数校正电路拓扑结构的工作过程中，在市电正弦交流电源的正半周，电感、第一功率半导体开关和第一二极管以及输出稳压电容构成正半周的升压电路；在正弦交流电源的负半周，电感、第二功率半导体开关和第二二极管以及输出稳压电容构成负半周的升压电路。
4.根据权利要求2所述的高效率功率因数校正电路拓扑结构，其特征在于，所述市电正弦交流电压锁相电路在市电正弦交流电压正半周时输出低电平，在市电正弦交流电压负半周时输出高电平。
5.根据权利要求2所述的高效率功率因数校正电路拓扑结构，其特征在于，所述电感电流检测电路通过霍尔传感器获取精确的电感电流信号，并通过滤波、精密整流得到馒头波状的电流信号。
6.根据权利要求2所述的高效率功率因数校正电路拓扑结构，其特征在于，所述输出直流电压检测电路通过跨接在输出稳压电容两端的分压电阻获知输出直流电压信号。
7.根据权利要求2所述的高效率功率因数校正电路拓扑结构，其特征在于，所述单片机通过捕获功能精确地取得市电正弦交流电压的相位和频率，从而得到一个与市电正弦交流电压同频率同相位的单位正弦表。
8.根据权利要求2所述的高效率功率因数校正电路拓扑结构，其特征在于，所述市电正弦交流电压锁相电路和单片机精确地获得市电正弦交流电压的过零点，单片机在过零点输出市电正弦交流电压正半周的有效信号或者市电正弦交流电压负半周的有效信号。
9.一种高效率功率因数校正电路拓扑结构的控制方法，其特征在于，其包括以下步骤：上位机通过CAN总线给车载充电机下发开机指令后，车载充电机开始工作；直流母线电压作为外环，流过电感电流作为内环；直流母线电压的采样值与给定的参考电压进行比较，二者的误差经PI调节器输出后，再乘以与电网电压同相位的单位正弦电压，得到一个正弦电流给定指令*，将正弦电流给定指令送入PWM模块产生SPWM信号，单片机的PWM专用端口输出的SPWM信号经过模拟二阶有源滤波器滤波后得到基准电流加到电流滞环比较器；电感电流由电流霍尔传感器来检测，所检测的电流经运放放大、滤波、精密整流等处理后加到滞环比较器，滞环比较器的输出端输出PWM信号在市电正弦交流电源的正负半周分时控制本发明中的功率因数校正电路的功率半导体开关；滞环比较器输出的PWM控制信号与市电正弦交流电压正半周的有效信号作与运算得到第一功率半导体开关的控制信号，滞环比较器输出的PWM控制信号与市电正弦交流电压负半周的有效信号作与运算得到第二功率半导体开关的控制信号，上述的控制信号通过第一功率半导体开关和第二功率半导体开关各自专用的驱动电路分别施加于两个开关管的门极。
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