CN109245516A - 一种有源pfc数字控制装置 - Google Patents

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Abstract

为了抑制电源对网侧电流的谐波污染，解决这一问题的重要方法是采用功率因数校正(PFC)技术。本发明为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种应用于宽范围大功率数字电源的PFC控制方法，可实现电源在全范围工作时保持较高的功率因数，并具有快速的动态响应。本发明采用的数字控制器可以根据负载功率的大小，基于宽范围PFC控制策略实时调整控制方法及相关控制参数，主要通过具有低谐波抑制措施的双闭环控制策略和单电流环控制策略两种控制策略，同时满足功率因数校正和输出电压动态响应的要求。

Description

一种有源PFC数字控制装置
技术领域
本发明涉及一种大功率电源功率因数校正(PFC)控制装置，具体说涉及一种大功率宽范围电源AC/DC环节功率因数校正数字控制装置。
背景技术
随着电力电子技术的快速发展，电力电子装置得到了大规模应用，但同时也带来了无功和谐波污染等问题，这不仅会造成能源的浪费，还会由于发热原因降低设备的可靠性，并且影响其他用电设备的正常使用。为了抑制电源对网侧电流的谐波污染，解决这一问题的重要方法是采用功率因数校正(PFC)技术。功率因数(PF)是指有效功率与视在功率的比值，可以用来衡量电能被有效利用的程度，当功率因素数值越大，代表其电能的利用率就越高。
对于宽范围工作的电源装置，由于模拟PFC芯片的PI调节器参数固定，在某些功率下PI调节器参数与滤波电感不匹配，会出现交越失真现象，导致输入电流的某些次谐波含量超过限制标准。而数字PFC电路可方便地实现更灵活的控制方式，以实现电源在不同的功率下使得滤波电感都能很好地滤除电网的谐波，满足全功率范围内的控制要求。
传统的采用变PI调节器参数的PFC数字控制方法，将整个负载电流范围分为多个工作区间，在不同的电流区间采用不同的比例系数和积分系数。但这种控制方式随电压负载变化需频繁在不同的控制参数间进行切换，稳定性不高。数字控制中采用双闭环控制的平均电流模式尽管具有良好的稳态性能，但它的最大缺点是电压环低通滤波器截止频率设置低(一般为10～20Hz)，这个用来衰减输出电压谐波的措施会降低输出电压对负载变化的动态响应能力。虽然可以通过增大电压环带宽的方式提高动态响应速度，但会使电压环输出含有偶次谐波，这将会使输入电流发生畸变，使得功率因数校正效果变差。
因此，既具有良好的功率因数校正效果又具有快速的动态响应是对控制算法更高的要求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，本发明提供了一种应用于宽范围大功率数字电源的PFC控制方法，可实现电源在全范围工作时保持较高的功率因数，并具有快速的动态响应。
本发明所采用的技术方案是：一种有源PFC数字控制装置，包括：Boost电路、隔离采样模块、AD转换模块、数字控制器、隔离驱动模块；交流输入电压Uac输入至Boost电路，Boost电路输出电压VFB至负载R0；隔离采样模块对基于Boost电路的交流输入整流电压VAC、电感电流IL、输出电压VFB进行隔离采样后经AD转换模块处理，发送至数字控制器；数字控制器经过宽范围PFC控制策略运算后产生占空比控制指令，发送至PWM模块，产生PWM信号，经隔离驱动模块控制Boost主电路中的功率开关管Q1，实现功率因数校正，并将输出电压VFB控制在设定的目标值。
所述数字控制器包括策略存储模块和PWM产生驱动模块，其中策略存储模块存储宽范围PFC控制策略，宽范围PFC控制策略包含具有低谐波抑制措施的双闭环控制策略、单电流环控制策略及轻重载切换策略。
所述具有低谐波抑制措施的双闭环控制策略的控制框图如下：电压环为外环：采样Boost电路输出电压VFB，跟随参考电压VREF调节输出电压，保持输出电压恒定；电流环参考值IREF由电压环输出VEA、交流输入整流电压参考值电压谐波分量相对应的补偿量C相乘得到，VAC_RMS为交流输入整流电压VAC的有效值；电流内环为：采样Boost电路输出电感电流IL，使得Boost电路输出电感电流IL跟踪电流参考值IREF，产生占空比控制指令DUTYCYCLE，发送至PWM模块。
所述单电流环控制策略控制框图如下：采样Boost电路输出电感电流IL，使得Boost电路输出电感电流IL跟踪电流参考值IREF'，经PI校正器H1(s)校正后的结果与参考电压有效指令值相加，产生占空比控制指令DUTY CYCLE，发送至PWM模块。
所述轻重载切换策略对Boost电路输入功率进行判断，Boost电路起始工作时处于单电流环控制策略，当Boost电路输入功率高于重载设定值PH时，宽范围PFC控制策略由单电流环控制策略切换到具有低谐波抑制措施的双闭环控制策略；如果负载R0功率需求降低，Boost电路输入功率相应降低，当Boost电路输入功率低于设定的轻载设定值PL时，宽范围PFC控制策略由具有低谐波抑制措施的双闭环控制策略到单电流环控制策略。
所述重载设定值PH为电源输出最大功率的40％～50％。
所述轻载设定值PL为电源输出最大功率的20％～30％。
所述具有低谐波抑制措施的双闭环控制策略中产生的占空比控制指令DUTYCYCLE＝(IREF-IL)HI(s)，
其中，HI(s)为PI调节器。
电流环参考值
所述单电流环控制策略中产生的占空比控制指令
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)为了在获得良好功率因数校正效果的同时也能获得较快的动态响应速度，本发明双闭环控制策略的控制参数实时根据负载功率大小连续改变，满足宽范围工作时功率因数校正都具有良好的控制效果。并采用了具有低谐波抑制措施，对电流环参考值IREF进行了修正，设计了一个与电压谐波分量相对应的补偿量C加入到控制环节中，从而使得电流环参考值不再受二次谐波的影响，与输入电压同相位。这样就可以同时满足功率因数和输出电压动态响应的要求。
(2)本发明为了改善传统轻载状态下功率因数较低的情况，特采用了轻载时控制性能更加优异的单电流环工作模式，使得电源从轻载到满载全功率范围都具有良好的功率因数校正效果、快速的动态响应速度。
(3)为了使轻重载切换更加顺利，电源在切换过程中电流、电压更加平滑，在数字控制器中采用了智能切换模块，在单电流环工作模式和具有低谐波抑制措施的双闭环模式间进行切换，切换过程中加入了滞环控制方法，保证在区间转换时候调节器参数的惟一性，从而保证调节器的稳定性，以实现轻重载控制方法的平稳切换。
附图说明
图1为基于Boost变换器的PFC整体架构图。
图2为具有低谐波抑制措施的双闭环控制策略。
图3为单电流环控制框图。
图4(a)轻重载切换策略对Boost电路输入功率进行判断的示意图；
图4(b)为轻重载切换逻辑流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步说明。
如图1所示，典型Boost PFC由Boost变换器、隔离采样、隔离驱动、AD部分和数字控制器部分组成，其中数字控制器选用DSP28335、隔离采样选用ACPL-C87AT、隔离驱动选用ACPL-333J。数字控制器用于Boost PFC的电压电流闭环，实现功率因数校正的控制目标。隔离采样模块对基于Boost电路的交流输入整流电压VAC、电感电流IL、输出电压VFB进行隔离采样后经AD转换模块处理，发送至数字控制器；数字控制器经过宽范围PFC控制策略运算后产生占空比控制指令，发送至PWM模块，产生PWM信号，经隔离驱动模块控制Boost主电路中的功率开关管Q1，实现功率因数校正，并将输出电压VFB控制在设定的目标值。
数字控制器包括策略存储模块和PWM产生驱动模块，其中策略存储模块存储宽范围PFC控制策略，宽范围PFC控制策略包含具有低谐波抑制措施的双闭环控制策略、单电流环控制策略及轻重载切换策略；
为了在获得良好功率因数校正效果的同时也能获得较快的动态响应速度，本发明对双闭环控制策略中的电流环参考值IREF进行了修正，设计了一个与电压谐波分量相对应的补偿量C加入到控制环节中，从而使得电流环参考值不再受二次谐波的影响，与输入电压同相位。这样就可以同时满足功率因数和输出电压动态响应的要求。如图2所示，具有低谐波抑制措施的双闭环控制策略的控制框图如下：电压环为外环：采样Boost电路输出电压VFB，跟随参考电压VREF调节输出电压，保持输出电压恒定；电流环参考值IREF由电压环输出VEA、交流输入整流电压参考值电压谐波分量相对应的补偿量C相乘得到，VAC_RMS为交流输入整流电压VAC的有效值；电流内环为：采样Boost电路输出电感电流IL，使得Boost电路输出电感电流IL跟踪电流参考值IREF'，产生占空比控制指令DUTY CYCLE，发送至PWM模块。
电压环的输出为电流环的参考，如式(1)所示：
电流环的输出为占空比的控制指令，如式(2)所示：
DUTY CYCLE＝(IREF-IL)HI(s) (2)
其中，HV(s)和HI(s)均为PI调节器，增量式PI算法的表达式为：uk＝uk-1+KpΔek+Kiek，式中：Δek＝ek-ek-1为第k次误差ek与第k-1次误差ek-1的差值；uk-1为第k-1次的计算机输出值，k为正整数。为了在宽范围时取得良好的控制效果，PI调节器中的Kp、Ki均为与输出电感电流周期有效值IL′相关的控制参数。随着电源输出功率的变化双闭环调节器的补偿特性也随之变化，使得前级Boost PFC变换器在电源宽输出范围内都具有良好的动态响应特性。
式(3)、(4)中IL′为电感电流周期有效值，Kpu、Kiu为电压调节器的PI参数，Ku1、Ku2为电压环自适应调节参数，Kpi、Kii为电流调节器的PI参数，Ki1、Ki2为电流环自适应调节参数。
本发明为了改善传统轻载状态下功率因数较低的情况，轻载时特采用了控制性能更加优异的单电流环控制方法，使得电源从轻载到满载全功率范围都具有良好的功率因数校正效果、快速的动态响应速度。单电流环控制策略控制框图如图3所示：采样Boost电路输出电感电流IL，使得Boost电路输出电感电流IL跟踪电流参考值IREF'，经PI校正器H1(s)校正后的结果与参考电压有效指令值相加，产生占空比控制指令DUTY CYCLE，发送至PWM模块；
电流环的输出为占空比的控制指令，如式(5)所示：
轻重载切换策略对Boost电路输入功率进行判断，如图4(a)、图4(b)所示。Boost电路起始工作时处于单电流环控制策略，当Boost电路输入功率高于重载设定值PH(定义重载设定值PH为电源输出最大功率的40％～50％)时，宽范围PFC控制策略由单电流环控制策略切换到具有低谐波抑制措施的双闭环控制策略；如果负载R0功率需求降低，Boost电路输入功率相应降低，当Boost电路输入功率低于设定的轻载设定值PL(定义轻载设定值PL为电源输出最大功率的20％～30％)时，宽范围PFC控制策略由具有低谐波抑制措施的双闭环控制策略切换到单电流环控制策略。切换过程中加入了滞环控制方法，保证在区间转换时候调节器参数的惟一性，从而保证调节器的稳定性，以实现轻重载控制方法的平稳切换。
经过宽范围PFC控制策略运算后，给到PWM产生模块，最终经由隔离驱动环节控制Boost主电路中功率开关管Q1，进而实现功率因数校正以及控制输出电压在参考值的控制目标。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知技术。

Claims (10)

1.一种有源PFC数字控制装置，其特征在于，包括：Boost电路、隔离采样模块、AD转换模块、数字控制器、隔离驱动模块；交流输入电压Uac输入至Boost电路，Boost电路输出电压VFB至负载R0；隔离采样模块对基于Boost电路的交流输入整流电压VAC、电感电流IL、输出电压VFB进行隔离采样后经AD转换模块处理，发送至数字控制器；数字控制器经过宽范围PFC控制策略运算后产生占空比控制指令，发送至PWM模块，产生PWM信号，经隔离驱动模块控制Boost主电路中的功率开关管Q1，实现功率因数校正，并将输出电压VFB控制在设定的目标值。
2.根据权利要求1所述的一种有源PFC数字控制装置，其特征在于，所述数字控制器包括策略存储模块和PWM产生驱动模块，其中策略存储模块存储宽范围PFC控制策略，宽范围PFC控制策略包含具有低谐波抑制措施的双闭环控制策略、单电流环控制策略及轻重载切换策略。
3.根据权利要求2所述的一种有源PFC数字控制装置，其特征在于，所述具有低谐波抑制措施的双闭环控制策略的控制框图如下：电压环为外环：采样Boost电路输出电压VFB，跟随参考电压VREF调节输出电压，保持输出电压恒定；电流环参考值IREF由电压环输出VEA、交流输入整流电压参考值电压谐波分量相对应的补偿量C相乘得到，VAC_RMS为交流输入整流电压VAC的有效值；电流内环为：采样Boost电路输出电感电流IL，使得Boost电路输出电感电流IL跟踪电流参考值IREF，产生占空比控制指令DUTY CYCLE，发送至PWM模块。
4.根据权利要求2或3所述的一种有源PFC数字控制装置，其特征在于，所述单电流环控制策略控制框图如下：采样Boost电路输出电感电流IL，使得Boost电路输出电感电流IL跟踪电流参考值IREF'，经PI校正器H1(s)校正后的结果与参考电压有效指令值相加，产生占空比控制指令DUTY CYCLE，发送至PWM模块。
5.根据权利要求4所述的一种有源PFC数字控制装置，其特征在于，所述轻重载切换策略对Boost电路输入功率进行判断，Boost电路起始工作时处于单电流环控制策略，当Boost电路输入功率高于重载设定值PH时，宽范围PFC控制策略由单电流环控制策略切换到具有低谐波抑制措施的双闭环控制策略；如果负载R0功率需求降低，Boost电路输入功率相应降低，当Boost电路输入功率低于设定的轻载设定值PL时，宽范围PFC控制策略由具有低谐波抑制措施的双闭环控制策略到单电流环控制策略。
6.根据权利要求5所述的一种有源PFC数字控制装置，其特征在于，所述重载设定值PH为电源输出最大功率的40％～50％。
7.根据权利要求6所述的一种有源PFC数字控制装置，其特征在于，所述轻载设定值PL为电源输出最大功率的20％～30％。
8.根据权利要求3所述的一种有源PFC数字控制装置，其特征在于，所述具有低谐波抑制措施的双闭环控制策略中产生的占空比控制指令DUTY CYCLE＝(IREF-IL)HI(s)，
其中，HI(s)为PI调节器。
9.根据权利要求8所述的一种有源PFC数字控制装置，其特征在于，电流环参考值
10.根据权利要求6所述的一种有源PFC数字控制装置，其特征在于，所述单电流环控制策略中产生的占空比控制指令
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