CN107425710A - 基于负载电流前馈的pfc电路控制方法及装置 - Google Patents

基于负载电流前馈的pfc电路控制方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于负载电流前馈的PFC电路控制方法，步骤为：基于所述PFC电路获取输入电流、输入电压、负载电流和双母线电压；计算双母线电压和与双母线电压参考值的差值，该差值为电压环输入；电压环输入通过控制器得到电压环输出量，进行电压环的偏差控制；计算双母线电压差，所述差值为平衡环差值；基于平衡环差值进行平衡环的偏差控制，得到平衡环输出量；所述负载电流经由电流前馈控制器补偿控制后，输出前馈补偿值；计算平衡环输出量与所述前馈补偿值的差值，将电压环输出量与该差值之差作为电流环给定；所述电流环给定与输入电流比较进行电流环的偏差控制，得到电流环输出量；基于电流环输出量得到驱动该PFC电路的驱动信号。

Description

基于负载电流前馈的PFC电路控制方法及装置
技术领域
本发明涉及开关电源技术领域，特别涉及一种基于负载电流前馈的PFC电路控制方法及装置。
背景技术
功率因数校正(Power-Factor Correction，简称为PFC)单元可以有效提高电能质量及减少对电网谐波的影响，广泛应用于电力变换器中。PFC单元作为AC/DC变换，一方面实现输入功率因数为1，另一方面实现输出直流稳定。针对输出具有双母线的拓扑情况，还需实现正负两母线之间的电压平衡。目前，大部分的PFC建模仅仅考虑平衡负载，或者在控制算法开发时仅仅将负载作为被控对象中的扰动干扰。然后针对大的扰动，正负两母线之间的电压不能平衡，以三进单出UPS为例，在输出短路时，会发生直流母线高压报警，从而使UPS工作异常。另外，在负载大电流的情况下，由于母线的不平衡，考虑到尖峰电压的因素，需要选取更高电压等级的半导体器件，导致系统成本的上升及系统效率的降低。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种基于负载电流前馈的PFC电路控制方法及装置。
为实现上述目的，本发明的具体技术方案如下：一种基于负载电流前馈的PFC电路控制方法，应用于双母线输出的PFC电路，包括如下步骤：
基于所述PFC电路获取输入电流、输入电压、负载电流和双母线电压；
计算双母线电压和与双母线电压参考值的差值，所述差值为电压环输入；基于电压环差值进行电压环的偏差控制，得到电压环输出量；
计算双母线电压差，所述差值为平衡环差值；基于平衡环差值进行平衡环的偏差控制，得到平衡环输出量；
所述负载电流经由电流前馈控制器补偿控制后，输出前馈补偿值；
计算平衡环输出量与所述前馈补偿值的差值，将电压环输出量与该差值之差作为电流环给定；基于所述电流环给定进行电流环的偏差控制，得到电流环输出量；
基于电流环输出量得到驱动所述PFC电路的驱动信号。
优选地，所述前馈补偿值通过以下公式获得：
Vfeed＝k*MaxRMSInCur*IFeedback
其中，Vfeed为前馈补偿值；MaxRMSInCur为电流前馈控制器获取的负载所在电路的最大有效值电流；IFeedback为负载电流(经过归一化处理，其归一化基础为所侦测线路点最大有效值电流)；k为比例因子，1＞k＞0。
优选地，所述电压环的偏差控制为：通过乘法器，对电压环控制器输出与所述输入电压相乘，该值即为电压环输出量。
优选地，所述平衡环的偏差控制为：将0电压与平衡环差值相减，该值即为平衡环控制器输入。
优选地，所述电流环的偏差控制为：将所述电流环给定与输入电流相减，其差值即为电流环控制器输入量，该输入量通过控制器得到电流环输出量。
另外，本发明还提供一种上述控制方法所涉及的控制装置，其技术方案如下：一种基于负载电流前馈的PFC电路控制装置，应用于双母线输出的PFC电路，包括：
一电压环，获取该PFC电路双母线电压，以双母线电压之和与双母线电压参考值相比，其差值为所述电压环输入，基于电压环差值进行电压环的偏差控制，得到电压环输出量；
一平衡环，获取该PFC电路双母线电压，用于计算双母线电压差，所述差值为平衡环差值；基于平衡环差值进行平衡环的偏差控制，得到平衡环输出量；
一电流前馈控制器，获取该PFC电路负载电流，所述负载电流经由电流前馈控制器补偿控制后，输出前馈补偿值；
一电流环，用于计算平衡环输出量与所述前馈补偿值的差值，将电压环输出量与该差值之差作为电流环给定；基于所述电流环给定进行电流环的偏差控制，得到电流环输出量；
一脉宽调制电路，将所述电流环输出量转变为PWM信号，用以驱动所述PFC电路。
优选地，所述前馈补偿值通过以下公式获得：
Vfeed＝k*MaxRMSInCur*IFeedback
其中，Vfeed为前馈补偿值；MaxRMSInCur为电流前馈控制器获取的负载所在电路的最大有效值电流；IFeedback为负载电流(经过归一化处理，其归一化基础为所侦测线路点最大有效值电流)；k为比例因子，1＞k＞0。
优选地，所述电压环的偏差控制为：通过乘法器，对电压环控制器输出与所述输入电压相乘，该值即为电压环输出量。
优选地，所述平衡环的偏差控制为：将0电压与平衡环差值相减，该值即为平衡环控制器输入。
优选地，所述电流环的偏差控制为：将所述电流环给定与输入电流相减，其差值即为电流环控制器输入量，该输入量通过控制器得到电流环输出量。
本发明在具有双母线输出的PFC结构下，加入负载电流前馈策略，以解决在负载大电流的情况下，由于母线的不平衡需要选取更高电压等级的半导体器件，导致系统成本的上升及系统效率的降低等问题。本发明中比例因子k值增加，THDI会增加，但双母线电压平衡度会更好；反之则双母线电压平衡度差，但THDI值小。通过调整k值，可以实现THDI和直流双母线电压平衡度指标之间的平衡。
附图说明
图1为本发明的原理框图；
图2为本发明具体实施例电路原理图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例，对本发明进一步说明。
参照图1与图2所示，本发明提供一种基于负载电流前馈的PFC电路控制方法，应用于双母线输出的PFC电路，包括如下步骤：
(a)、基于所述PFC电路获取输入电流、输入电压、负载电流和双母线电压。
本发明实施例中给出的PFC电路包括一PFC变换器101及一逆变器102，其中：
PFC变换器101包含电容C1、电感L1、开关管Q1/Q2、及电容C2、电容C3，实现交流电至直流电的转换。
逆变器102为PFC变换器101的输出负载，由开关管Q3/Q4、电感L2、电容C4及其本身负载Rload组成；电容C2、C3同时作为逆变器102的输入端，与PFC变换器101耦合。
PFC变换器101与逆变器102级联完成AC/DC/AC的功能，保证交流输出标准正弦波，并确保电容C2与C3两端的电压恒定，且电容C2和C3电压平衡。
此步骤中的输入电流为：电感L1的电流采样；输入电压为：电感L1的前端电压，即为市电电压；负载电流为：逆变器102作为整个负载的电流，即为电感L2的采样电流；双母线电压为图中所示的正母线电压Ubus+与负母线电压Ubus-。
(b)、计算双母线电压和与双母线电压参考值的差值，所述差值为电压环输入；基于电压环差值进行电压环的偏差控制，得到电压环输出量。
其中，所述电压环的偏差控制为：通过乘法器，对电压环控制器输出与所述输入电压相乘，该值即为电压环输出量。
结合实施例，具体地，电压环103为AC/DC控制器的其中一环，对正负母线电压进行采样，将采样得到的正负母线电压相加([Ubus+]+[Ubus-])，并将目标值(即为双母线电压参考值)与正负母线电压和相减，其差值通过控制器计算，控制器输出与上述输入电压相乘，得到正弦输出(电压环输出量)，作为电流环106的输入之一。
(c)、计算双母线电压差，所述差值为平衡环差值；基于平衡环差值进行平衡环的偏差控制，得到平衡环输出量。
其中，所述平衡环的偏差控制为：将0电压与平衡环差值相减，该值即为平衡环控制器输入。
结合实施例，具体地，平衡环104为AC/DC控制器的又一环，对正负母线电压进行采样，将采样得到的正母线电压与负母线电压相减，并将0与正负母线电压差值相减，其差值通过控制器计算，控制器输出VOffsetCmd为平衡环104模块输出。
(d)、所述负载电流经由电流前馈控制器补偿控制后，输出前馈补偿值。
其中，所述前馈补偿值通过以下公式获得：
Vfeed＝k*MaxRMSInCur*IFeedback
其中，Vfeed为前馈补偿值；MaxRMSInCur为电流前馈控制器获取的负载所在电路的最大有效值电流；IFeedback为负载电流(经过归一化处理，其归一化基础为所侦测线路点最大有效值电流)；k为比例因子，1＞k＞0。
参照图2，电流前馈控制器105为AC/DC控制器的前馈补偿部分，将负载逆变器102的电感L2电流进行采样，其采样值通过电流前馈控制器105计算，控制器输出为电流前馈控制器105的模块输出；电流前馈控制器可以采用比例控制器，并增加系数k，k可以从0到1进行调整。调整k可以实现THDI和直流双母线电压平衡度指标之间的平衡。k值增加，THDI会增加，但双母线电压平衡度会更好；反之亦然；此控制器不仅限于比例控制器，也可以是其他控制器结构。
(e)、计算平衡环输出量与所述前馈补偿值的差值，将电压环输出量与该差值之差作为电流环给定；基于所述电流环给定进行电流环的偏差控制，得到电流环输出量。
其中，所述电流环的偏差控制为：将所述电流环给定与输入电流相减，其差值即为电流环控制器输入量，该输入量通过控制器得到电流环输出量。
具体地：
平衡环104与电流前馈控制器105的输出相减，得到OffsetCmd(＝VOffsetCmd-Vfeed)；
将电压环103输出与OffsetCmd相减，作为电流环106的输入；
将上步的输入与PFC变换器101中的电感L1的电流采样相减，通过控制器计算输出。
(f)、基于电流环输出量得到驱动所述PFC电路的驱动信号。
具体地，电流环106的输出作为脉宽调制电路107的输入，脉宽调制电路107用于将调制后的PWM信号，作为PFC变换器101中开关管Q1/Q2的驱动信号。
另外，本发明还提供一种具备上述控制方法的PFC电路控制装置，应用于双母线输出的PFC电路，包括：
一电压环103，获取该PFC电路双母线电压，以双母线电压之和与双母线电压参考值相比，其差值为所述电压环输入，基于电压环差值进行电压环103的偏差控制，得到电压环输出量；
一平衡环104，获取该PFC电路双母线电压，用于计算双母线电压差，所述差值为平衡环差值；基于平衡环差值进行平衡环104的偏差控制，得到平衡环输出量；
一电流前馈控制器105，获取该PFC电路负载电流，所述负载电流经由电流前馈控制器105补偿控制后，输出前馈补偿值；
一电流环106，用于计算平衡环输出量与所述前馈补偿值的差值，将电压环输出量与该差值之差作为电流环给定；基于所述电流环给定进行电流环106的偏差控制，得到电流环输出量；
一脉宽调制电路107，将所述电流环106输出量转变为PWM信号，用以驱动所述PFC电路。
其中，所述前馈补偿值通过以下公式获得：
Vfeed＝k*MaxRMSInCur*IFeedback
其中，Vfeed为前馈补偿值；MaxRMSInCur为电流前馈控制器获取的负载所在电路的最大有效值电流；IFeedback为负载电流(经过归一化处理，其归一化基础为所侦测线路点最大有效值电流)；k为比例因子，1＞k＞0。
所述电压环103的偏差控制为：通过乘法器，对电压环控制器输出与所述输入电压相乘，该值即为电压环输出量。
所述平衡环104的偏差控制为：将0电压与平衡环差值相减，该值即为平衡环控制器输入。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于负载电流前馈的PFC电路控制方法，应用于双母线输出的PFC电路，其特征在于，包括如下步骤：
基于所述PFC电路获取输入电流、输入电压、负载电流和双母线电压；
计算双母线电压和与双母线电压参考值的差值，所述差值为电压环输入；基于电压环输入进行电压环的偏差控制，得到电压环输出量；
计算双母线电压差，所述差值为平衡环差值；基于平衡环差值进行平衡环的偏差控制，得到平衡环输出量；
所述负载电流经由电流前馈控制器补偿控制后，输出前馈补偿值；
计算平衡环输出量与所述前馈补偿值的差值，将电压环输出量与该差值之差作为电流环给定；基于所述电流环给定进行电流环的偏差控制，得到电流环输出量；
基于电流环输出量得到驱动所述PFC电路的驱动信号。
2.根据权利要求1所述的PFC电路控制方法，其特征在于，所述前馈补偿值通过以下公式获得：
Vfeed＝k*MaxRMSInCur*IFeedback
其中，Vfeed为前馈补偿值；MaxRMSInCur为电流前馈控制器获取的负载所在电路的最大有效值电流；IFeedback为负载电流,其经过归一化处理，其归一化基础为所侦测线路点最大有效值电流；k为比例因子，1＞k＞0。
3.根据权利要求1所述的PFC电路控制方法，其特征在于，所述电压环的偏差控制为：通过乘法器，对电压环控制器输出与所述输入电压相乘，该值即为电压环输出量。
4.根据权利要求1所述的PFC电路控制方法，其特征在于，所述平衡环的偏差控制为：将0电压与平衡环差值相减，该值即为平衡环控制器输入。
5.根据权利要求1所述的PFC电路控制方法，其特征在于，所述电流环的偏差控制为：将所述电流环给定与输入电流相减，其差值即为电流环控制器输入量，该输入量通过控制器得到电流环输出量。
6.一种基于负载电流前馈的PFC电路控制装置，应用于双母线输出的PFC电路，其特征在于，包括：
一电压环，获取该PFC电路双母线电压，以双母线电压之和与双母线电压参考值相比，其差值为所述电压环输入，基于电压环差值进行电压环的偏差控制，得到电压环输出量；
一平衡环，获取该PFC电路双母线电压，用于计算双母线电压差，所述差值为平衡环差值；基于平衡环差值进行平衡环的偏差控制，得到平衡环输出量；
一电流前馈控制器，获取该PFC电路负载电流，所述负载电流经由电流前馈控制器补偿控制后，输出前馈补偿值；
一电流环，计算平衡环输出量与所述前馈补偿值的差值，将电压环输出量与该差值之差作为电流环给定；基于所述电流环给定进行电流环的偏差控制，得到电流环输出量；
一脉宽调制电路，将所述电流环输出量转变为PWM信号，用以驱动所述PFC电路。
7.根据权利要求6所述的PFC电路控制装置，其特征在于，所述前馈补偿值通过以下公式获得：
Vfeed＝k*MaxRMSInCur*IFeedback
其中，Vfeed为前馈补偿值；MaxRMSInCur为电流前馈控制器获取的负载所在电路的最大有效值电流；IFeedback为负载电流，其经过归一化处理，其归一化基础为所侦测线路点最大有效值电流；k为比例因子，1＞k＞0。
8.根据权利要求6所述的PFC电路控制装置，其特征在于，所述电压环的偏差控制为：通过乘法器，对电压环控制器输出与所述输入电压相乘，该值即为电压环输出量。
9.根据权利要求6所述的PFC电路控制装置，其特征在于，所述平衡环的偏差控制为：将0电压与平衡环差值相减，该值即为平衡环控制器输入。
10.根据权利要求6所述的PFC电路控制装置，其特征在于，所述电流环的偏差控制为：将所述电流环给定与输入电流相减，其差值即为控制器输入量，该输入量通过控制器得到电流环输出量。
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