CN109245575B - 一种vienna整流器随机采样方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种VIENNA整流器随机采样方法。滤波电容模块包括第一输出电容和第二输出电容；第一输出电容电压采样电路分别以高低两种速度对第一输出电容两端的高电压进行衰减采样获得对应的电压输出值UC1H和UC1L；第二输出电容电压采样电路分别以高低两种速度对第二输出电容两端的高电压进行衰减采样获得对应的电压输出值UC2H和UC2L；数字控制器模块根据电压输出值UC1H、UC1L、UC2H以及UC2L计算获得随机采样的时间触发点t。本发明可以防止误差数据累计造成系统振荡。

Description

一种VIENNA整流器随机采样方法
技术领域
本发明属于电源变换技术领域，具体涉及一种VIENNA整流器随机采样方法。
背景技术
随着电力电子技术及其相关全控型半导体功率器件的快速发展，大量电力电子设备广泛应用于工业、军事领域，成为这些领域技术创新和快速发展的重要基础设备，但是该类设备的使用会向电网注入大量谐波，产生严重的“谐波污染”，尤其是三相大功率电力电子装置如果不经处理，直接连接电网会产生更加严重的危害，已经引起各国的高度重视。有源功率因数校正(APFC)是治理谐波污染的一种有效方法，目前主要有单开关、双开关、三开关、六开关等几种主要的拓扑结构，其中又以三相三开关VIENNA整流器综合性能最优，三相VIENNA整流器电路拓扑简单、有源器件应力低、效率高和功率密度高,在一次电源模块、电机驱动前端、有源滤波器和不间断电源供应中都已得到广泛应用。
VIENNA整流器的优势在于拓扑简洁，三电平结构，体积小，控制逻辑简单，不存在开关管桥臂直通问题，也基本没有功率开关元器件反并二极管反向恢复问题，可以工作于很高的开关频率下。因此，VIENNA整流器效率很高，功率密度大，非常适合一次电源模块的小型化集成设计。但是由于工作频率高，产生的电磁干扰也大，其自身的信号采样就极易受到干扰，造成环路控制失效。另一方面，小体积的设计目标又限制了其附加电路的规模，复杂的滤波处理不符合小型化设计需求。因此，必须寻找一种可靠又简便的信号处理方法，同时满足信号采样的真实性和控制环路的稳定性。
为了克服上述问题，目前主要采用的PWM开关周期中点采样技术，但PWM开关周期中点采样技术需要额外增加中点调解算法，此时中点仍然会发生偏移，存在控制失效的风险。
发明内容
本发明提出一种VIENNA整流器随机采样方法，能够较好的解决PWM开关周期中点采样技术存在的固有缺陷，防止误差数据累计造成系统振荡。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种VIENNA整流器随机采样方法，VIENNA数字整流器包括三相电流互感器模块、三相输入升压电感模块、三相整流桥模块、三相有源全控型双向开关模块、输出滤波电容模块，滤波电容模块包括第一输出电容和第二输出电容；第一输出电容和第二输出电容分别连接有第一输出电容电压采样电路和第二输出电容电压采样电路；
第一输出电容电压采样电路分别以高低两种速度对第一输出电容两端的高电压进行衰减采样获得对应的电压输出值UC1H和UC1L；
第二输出电容电压采样电路分别以高低两种速度对第二输出电容两端的高电压进行衰减采样获得对应的电压输出值UC2H和UC2L；
第一输出电容电压采样电路所使用的高低两种速度分别与第二输出电容电压采样电路所使用的高低两种速度相同；
分别计算UC1H和UC1L的差值UC1，以及UC2H和UC2L的差值UC2，然后计算获得采样随机数delt_t＝K(UC1-UC2)，其中，K为放大系数；则随机采样的时间触发点t＝t0+delt_t，其中t0为采样触发时间的固定值。
较佳地，还包括数字控制器模块，第一输出电容电压采样电路将获得的电压输出值UC1H和UC1L送给数字控制器模块；第二输出电容电压采样电路将获得的电压输出值UC2H和UC2L送给数字控制器模块；数字控制器模块根据电压输出值UC1H、UC1L、UC2H以及UC2L计算获得随机采样的时间触发点t。
较佳地，第一输出电容电压采样电路和第二输出电容电压采样电路具有相同的结构，均包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第一放大器和第二放大器；
在第一输出电容电压采样电路中，第一电阻一端接第一输出电容一端，第一电阻另一端接第一放大器的反相输入端，第四电阻接在第一放大器的反相输入端与输出端之间，第五电阻接在第一放大器输出端与第二放大器的输出端之间，第六电阻接在第二放大器的反相输入端与输出端之间；第二电阻一端接第一输出电容另一端，第二电阻另一端接第一放大器的正相输入端，第三电阻一端接第一放大器的正相输入端，第三电阻另一端接地，第二放大器的正相输入端接地，第一调节电容接在第一放大器的反相输入端与输出端之间；
在第二输出电容电压采样电路中，第一电阻一端接第二输出电容一端，第一电阻另一端接第一放大器的反相输入端，第四电阻接在第一放大器的反相输入端与输出端之间，第五电阻接在第一放大器输出端与第二放大器的输出端之间，第六电阻接在第二放大器的反相输入端与输出端之间；第二电阻一端接第二输出电容另一端，第二电阻另一端接第一放大器的正相输入端，第三电阻一端接第一放大器的正相输入端，第三电阻另一端接地，第二放大器的正相输入端接地，第二调节电容接在第一放大器的反相输入端与输出端之间。
较佳地，通过改变第一调节电容和第二调节电容的电容值来调节衰减速度。
较佳地，通过改变第五电阻和第六电阻的阻值来调节电压输出值UC1H、UC1L、UC2H以及UC2L的大小范围。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
1、本发明只需附加在整流器必须具备的硬件电路上，在软件算法中得到随机采样点，无需增加额外的滤波电路，有利于减小体积，提高功率密度；
2、本发明通过在固定采样出发时间的基础上通过随机数产生动态的、随机的采样触发时间，从而避免了中点偏移的问题；
3、通过调解放大系数K，本发明中的随机采样点可以根据硬件电路具体调节，控制灵活度高，效果好。
附图说明
图1三相VIENNA整流器电路拓扑示意图；
图2是本发明中输出电容C1电压采样电路图；
图3是本发明中输出电容C2电压采样电路图；
图4是本发明中数字控制器随机采样计算流程图。
具体实施方式
容易理解，依据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神的情况下，本领域的一般技术人员可以想象出本发明VIENNA整流器随机采样方法的多种实施方式。因此，以下具体实施方式和附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限制或限定。
如图1所示，三相VIENNA数字整流器拓扑结构包括三相电流互感器模块1、三相输入升压电感模块2、三相整流桥模块3、三相有源全控型双向开关模块4、输出滤波电容模块5、输出电容C1电压采样电路6、输出电容C2电压采样电路7以及数字控制器模块8。其中，三相电流互感器模块1、三相输入升压电感模块2、三相整流桥模块3、三相有源全控型双向开关模块4、输出滤波电容模块5、输出电容C1电压采样电路6、输出电容C2电压采样电路7均为现有三相VIENNA数字整流器必须具备的硬件电路。
三相输入升压电感模块2前端连接公用电网A、B、C三相交流输入电压，后端连接三相整流桥模块3和三相有源全控型双向开关模块4，三相有源全控型双向开关模块4的三路双向开关在输出滤波电容模块5的电容中点短接，构成典型的三相Boost升压结构。三相电流互感器模块1串联在三相A、B、C主电路中，将主电路中的电流值转换为小电流信号输出给数字控制器模块8。
三相电流互感器模块1包括三个电流互感器，三相输入升压电感模块2包括三个升压电感，每个电流互感器负责测量一相电感电流，采样交流电流并转换为mA级的小电流信号，送入数字控制器模块8。
输出滤波电容模块5包括上下两组电容器C1和C2，两组电容器C1和C2串联连接，将上组电容器C1两端电压取出，送给如图2所示的输出电容C1电压采样电路6进行变换。图2中的C11作为调节变量，通过调解电容C11的值，用于改变对输出电容C1两端的高电压进行衰减的速度。因此，通过改变电容C11的值可以分别得到两个输出电压值UC1H和UC1L。将下组电容器C2两端电压取出，送给如图3所示的输出电容C2电压采样电路7进行变换。图3中的电容C22作为调节变量，通过调解电容C22的值，用于改变对输出电容C2两端的高电压进行衰减的速度。因此，改变电容C22的值可以分别得到两个输出电压值UC2H和UC2L，UC1H、UC1L、UC2H和UC2L送入数字控制器模块8，R5、R6用于调解信号范围大小，即调节UC1H、UC1L、UC2H和UC2L的值到0～3.3V之间。
具体地，第一输出电容电压采样电路和第二输出电容电压采样电路具有相同的结构，均包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第一放大器D1和第二放大器D2；
在第一输出电容电压采样电路中，第一电阻R1一端接第一输出电容C1一端，第一电阻R1另一端接第一放大器D1的反相输入端，第四电阻R4接在第一放大器D1的反相输入端与输出端之间，第五电阻R5接在第一放大器D1输出端与第二放大器D2的输出端之间，第六电阻R6接在第二放大器D2的反相输入端与输出端之间；第二电阻R2一端接第一输出电容C1另一端，第二电阻R2另一端接第一放大器D1的正相输入端，第三电阻R3一端接第一放大器D1的正相输入端，第三电阻R3另一端接地，第二放大器D2的正相输入端接地，第一调节电容C11接在第一放大器D1的反相输入端与输出端之间；
在第二输出电容电压采样电路中，第一电阻R1一端接第二输出电容C2一端，第一电阻R1另一端接第一放大器D1的反相输入端，第四电阻R4接在第一放大器D1的反相输入端与输出端之间，第五电阻R5接在第一放大器D1输出端与第二放大器D2的输出端之间，第六电阻R6接在第二放大器D2的反相输入端与输出端之间；第二电阻R2一端接第二输出电容C2另一端，第二电阻R2另一端接第一放大器D1的正相输入端，第三电阻R3一端接第一放大器D1的正相输入端，第三电阻R3另一端接地，第二放大器D2的正相输入端接地，第二调节电容C22接在第一放大器D1的反相输入端与输出端之间。
通过改变第一调节电容C11和第二调节电容C22的电容值来调节衰减速度；通过改变第五电阻R5和第六电阻R6的阻值来调节电压输出值UC1H、UC1L、UC2H以及UC2L的大小范围。
当输出电容C1电压采样电路6对输出电容C1两端的高电压进行衰减时，分别进行两种不同速度的衰减变换，并将之转换为0～3.3V之间的小信号电压，分别获得小信号电压UC1H和UC1L。当输出电容C2电压采样电路7对输出电容C2两端的高电压进行衰减时，按照与C1相同的两种速度衰减，并将之转换为0～3.3V之间的小信号电压，分别获得小信号电压UC2H和UC2L，将UC1H、UC1L、UC2H和UC2L送入数字控制器模块8。
数字控制器模块8在软件程序中分别计算UC1H和UC1L的差值UC1，以及UC2H和UC2L的差值UC2，再对UC1和UC2相减获得可变时间变量的动态值，针对该值进一步处理后作为随机采样的时间触发点t。具体如图4所示，软件程序中将输出电容C1电压采样电路6输出的小信号电压UC1H和UC1L相减得到UC1，将输出电容C2电压采样电路7输出的UC2H和UC2L相减得到UC2，再对UC1和UC2相减得到差值UC，差值UC是一个随机数，范围不定，需要通过放大系数K将其调理到运算范围delt_t＝K(UC1-UC2)。放大系数K根据不同硬件电路具体设定，一般根据经验值设定。采样触发时间的固定值t0通常取一个PWM开关周期的中点，但是由于三相VIENNA整流器工作频率高，干扰大，采样信号极易受到干扰，干扰信号叠加在有用信号上，造成采样误差，一个固定的误差经过累积就可能造成系统振荡。本发明采用该固定值t0叠加一个随机数UC，就可有效规避误差累积，抑制可能造成的控制环路振荡，保证整流器工作稳定可靠。数字控制器模块8中的控制器将上述固定值t0和随机数UC的和t置入ePWM模块的CMP子模块，作为可变随机变量值，CMP子模块再将该值作为ADCSOC信号触发随机采样过程。

Claims (5)

1.一种VIENNA数字整流器随机采样方法，VIENNA数字整流器包括三相电流互感器模块、三相输入升压电感模块、三相整流桥模块、三相有源全控型双向开关模块、输出滤波电容模块，其特征在于，滤波电容模块包括第一输出电容(C1)和第二输出电容(C2)；第一输出电容(C1)和第二输出电容(C2)分别连接有第一输出电容电压采样电路和第二输出电容电压采样电路；
第一输出电容电压采样电路分别以高低两种速度对第一输出电容(C1)两端的高电压进行衰减采样获得对应的电压输出值UC1H和UC1L；
第二输出电容电压采样电路分别以高低两种速度对第二输出电容(C2)两端的高电压进行衰减采样获得对应的电压输出值UC2H和UC2L；
第一输出电容电压采样电路所使用的高低两种速度分别与第二输出电容电压采样电路所使用的高低两种速度相同；
分别计算UC1H和UC1L的差值UC1，以及UC2H和UC2L的差值UC2，然后计算获得采样随机数delt_t＝K(UC1-UC2)，其中，K为放大系数；则随机采样的时间触发点t＝t0+delt_t，其中t0为采样触发时间的固定值。
2.如权利要求1所述的VIENNA数字整流器随机采样方法，其特征在于，还包括数字控制器模块，第一输出电容电压采样电路将获得的电压输出值UC1H和UC1L送给数字控制器模块；第二输出电容电压采样电路将获得的电压输出值UC2H和UC2L送给数字控制器模块；数字控制器模块根据电压输出值UC1H、UC1L、UC2H以及UC2L计算获得随机采样的时间触发点t。
3.如权利要求1所述的VIENNA数字整流器随机采样方法，其特征在于，第一输出电容电压采样电路和第二输出电容电压采样电路具有相同的结构，均包括第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第三电阻(R3)、第四电阻(R4)、第五电阻(R5)、第六电阻(R6)、第一放大器(D1)和第二放大器(D2)；
在第一输出电容电压采样电路中，第一电阻(R1)一端接第一输出电容(C1)一端，第一电阻(R1)另一端接第一放大器(D1)的反相输入端，第四电阻(R4)接在第一放大器(D1)的反相输入端与输出端之间，第五电阻(R5)接在第一放大器(D1)输出端与第二放大器(D2)的输出端之间，第六电阻(R6)接在第二放大器(D2)的反相输入端与输出端之间；第二电阻(R2)一端接第一输出电容(C1)另一端，第二电阻(R2)另一端接第一放大器(D1)的正相输入端，第三电阻(R3)一端接第一放大器(D1)的正相输入端，第三电阻(R3)另一端接地，第二放大器(D2)的正相输入端接地，第一调节电容(C11)接在第一放大器(D1)的反相输入端与输出端之间；
在第二输出电容电压采样电路中，第一电阻(R1)一端接第二输出电容(C2)一端，第一电阻(R1)另一端接第一放大器(D1)的反相输入端，第四电阻(R4)接在第一放大器(D1)的反相输入端与输出端之间，第五电阻(R5)接在第一放大器(D1)输出端与第二放大器(D2)的输出端之间，第六电阻(R6)接在第二放大器(D2)的反相输入端与输出端之间；第二电阻(R2)一端接第二输出电容(C2)另一端，第二电阻(R2)另一端接第一放大器(D1)的正相输入端，第三电阻(R3)一端接第一放大器(D1)的正相输入端，第三电阻(R3)另一端接地，第二放大器(D2)的正相输入端接地，第二调节电容(C22)接在第一放大器(D1)的反相输入端与输出端之间。
4.如权利要求3所述的VIENNA数字整流器随机采样方法，其特征在于，通过改变第一调节电容(C11)和第二调节电容(C22)的电容值来调节衰减速度。
5.如权利要求3所述的VIENNA数字整流器随机采样方法，通过改变第五电阻(R5)和第六电阻(R6)的阻值来调节电压输出值UC1H、UC1L、UC2H以及UC2L的大小范围。
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