CN110829824A - 一种基于Boost电路的单周期PF控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于Boost电路的单周期PF控制器。利用改进后的单周期控制技术完成对PF的进一步提高。控制器包括模拟电路中常见的输入输出电压采样、比较器、减法器、两次积分器、OSC振荡器和逻辑控制单元组成。与常见的PF控制方式相比，无需复杂的乘法器，控制方式简单，易于实现;在原有单周期控制的基础上，本文将其的一次积分器改进成两次积分，将忽略的变量考虑在内，更加精确地采样积分时间，有效地提高了PF。

Description

一种基于Boost电路的单周期PF控制器

技术领域

本发明公开了一种基于Boost电路的单周期PF控制器，涉及boost开关变换器作为驱动的中小功率驱动电源，属于发电、变电或配电的技术领域。

背景技术

传统的AC-DC电力电子变换器由二极管或者晶体闸管整流电路构成，产生大量的电力谐波，造成电力环境的谐波污染和电能的浪费，且影响电网安全运行，成为电力公害。自20世纪90年代起，高性能AC-DC变换器的研究开发引起国内外广泛的关注，出现了有源功率因数校正技术。有源功率因数校正技术采用现代电力电子器件，如功率MOSFET、IGBT、IGCT等，并结合脉宽调制(PWM)控制技术使得用电器仅从电网取用正弦波电流，即用电器具有单位功率因数，一般这样的AC-DC电力电子变换器为有源功率因数校正变换器，简称PFC变换器。随着人们对电能质量、电力环境的意识逐步增强，有源功率因数校正技术将获得更加广泛的应用。

针对谐波电流的危害，一些国家和国际学术组织开始颁布和实施电流谐波标准，如IEC555-2、IEEE519、IEC61000-3-2等。我国国家技术监督局于1993年颁布了国家标准GB/T14549-93《电能质量公用电网谐波》；国际电工委员会于1998年对IEC555-2谐波标准进行了修订，重新颁布IEC61000-3-2谐波标准。为了满足这些标准，必须使用功率因数校正技术使开关变换器的输入电流谐波达到标准要求。通过在电路中增加电感和电容等无源器件或是使用反馈技术以使输入电流波形呈正弦波并与输入电压同相位，达到功率因数校正目的。

单周期技术是20世纪90年代初由美国加州大学Ke yue.M.Smedley提出的一种非线性控制方法，最早应用于DC-DC直流变换器中。早期的控制思想是控制二极管上的电压值使之在一个周期内达到期望值。这种控制最初应用于Buck拓扑结构，其后，单周期控制在概念及应用方面都随着控制技术的发展而有所拓展。将单周期技术应用于boost变换器中的控制在一个工频周期内忽略输出电压变化的影响，从而使得PF值有所降低。

发明内容

本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提出了一种基于Boost电路的单周期PF控制器，将输出电压的变化量考虑在内采用两次积分控制，提高了系统的PF值，解决了。。。的技术问题。

本发明为实现上述发明目的所采用的技术方案是：

一种基于Boost电路的单周期PF控制器，其主拓扑电路包括：二极管整流桥、输入采样电阻、输入输出滤波电容、电感、功率开关管、二极管和输出电压采样电阻。控制驱动电路包括：减法器、两次积分电路、比较器、固定周期固定占空比的振荡器、二输入同或门以及驱动开关管的自举电路。对输出端采样的电压经过两次积分电路得到输出电压采样信号的积分值，输出电压采样信号的积分值接在比较器的正向端，比较器的反向端接减法器的输出，减法器的正向端接输出电压的采样值，减法器的反向端接输入电压的采样值。比较器的输出端接在同或门的一输入端，同或门的另一输入端接振荡器输出的CLOCK信号，同时CLOCK控制与积分器中电容并联的开关。当CLOCK为高电平，与积分器中电容并联的开关闭合，积分器不工作；当CLOCK为低电平时，与积分器中电容并联的开关断开，积分器开始对输出电压采样信号积分。最后，同或门的输出信号接入驱动电路输出gate信号，作为开关管的栅极驱动信号。

将一个工频周期内的输出电压考虑在内，在理论计算上没有近视值，PF的理论值可以达到1。当振荡器的输出为低电位时，积分器对输出电压的采样值进行积分，积分器的输出值以二次函数曲线上升，当上升到减法器的输出值时，比较器翻转，比较器输出高电平，此时二输入同或门对比较器的输出和CLOCK信号进行运算，功率开关管Qb的占空比信号，该占空比信号与CLOCK信号同周期且在比较器开始工作至翻转的时间内维持Qb处于导通状态，将该信号接入驱动电路后驱动功率开关管。此时将gate信号导通时间T_on的占空比表达式代入Boost电路的平均输入电流公式，就可以得到一个跟随输入电压的公式，实现了平均输入电流跟随输入电压，有效的提高了系统功率因数。

有益效果

(1)本发明通过改进现有的单周期技术，增加了占空比控制，将其的一次积分器改进成两次积分，将忽略的变量考虑在内，更加精确地采样积分时间，提高了功率因数，减少了谐波失真等要求。

(2)本发明在控制导通占空比的过程中，将输出电压的变化考虑在内，建立了二次积分电路，并通过逻辑电路对积分时间采样，作为开关管的导通时间。

(3)本发明采用的控制电路，无需复杂的乘法器，结构简单，原理清晰，并且成本较低，具有较高的应用价值。

附图说明

图1(a)、图1(b)、图1(c)分别为低功率因数下的有相移的正弦波、无相移的非正弦波、有相移的非正弦波。

图2为现有技术基于Boost电路的单周期控制的原理图。

图3为本发明对现有技术改进后的有源功率因数校正方法的原理图。

图4为单周期控制中关键点的信号波形图。

图5(a)、图5(b)为图3所示控制方式和图2所示控制方式的PF值simplis仿真结果。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。

参看图1，功率因数是用以表示电源与负载网络之间能量传输效率的品质因数。功率因数可定义为：

功率因数在0到单位1之间取值。在理想情况下，符合欧姆定律的负载会达到单位功率因数。在该种情况下，电流的波形追随电压的波形变化，即二者具有相同的形状，且其具有相同的谐波频谱，且同相位。在线性阻性负载系统中对于平均功率通量一定时，在功率因数最大即单位功率因数时存在最小的电流均方根值与电压均方根值。在电压不包含谐波且负载为非线性动态负载时，功率因数可以认为受到两个方面的影响：一个来自产生了相位偏移的电流基波分量，另一个来自电流谐波。低功率因数现象如图1(a)、图1(b)、图1(c)所示。

参看图2，基于boost电路的单周期控制现有技术如图2所示。其控制电路包括：PI调节器、减法器、积分复位器、比较器、SR触发器和一个脉冲发生器。将输出电压的采样值和基准电压V_ref送入PI调节器得到调制电压V_M，一方面对V_M进行积分，另一方面将V_M和输入电流的采样值i_gR_S接入减法器，正输入接V_M，负输入接i_gR_S。将减法器的输出接比较器的负输入，V_M的积分值接入比较器的正输入端。最后，比较器的输出端接入SR触发器的R端，SR触发器的S端接等周期变换的脉冲信号，将SR触发器Q端的输出信号作为功率开关管的控制信号，SR触发器Q端信号接入与积分器中与积分电容并联的开关的控制端。当

端信号为高电平时，积分器开始工作；当

端信号为低电平时，被电容短路，进行放电，积分器不工作。

其理论原理分析如下：

对于功率因数校正技术，其根本目的是通过适当的控制使输入电流跟随输入电压，波形相同且同相位，对外相当于一个电阻。对应图2即流过电感的电流i_g与整流后的电压V_g同相同波形，可以把整流桥后面的电路用一个等效电阻R_e来表示，显然V_g、i_g和R_e之间关系如表达式：

V_g＝i_gR_e (2)

在Boost电路中，根据输入输出之间的关系。将其代入公式整理可得：

i_gR_e＝V_out(1-D) (3)

经过公式代入：

i_gR_eR_s＝V_out(1-D)R_s (4)

令：

i_gR_s＝V_m(1-D) (6)

R_s为电感电流检测电阻。V_M为调制电压，在电路中起到限制Boost输入电流峰值的作用，是V_out-V_ref经过PI调节得到的值，由于当输出电容足够大时输出电压V_out可以看做是一个恒定值，因此改变V_M的值可以通过改变Vref的值来实现。当占空比D满足公式(6)时，在一个周期内，电流能跟踪电压的变化，电路实现了功率因数校正作用，功率因数近似为1。将(6)移项再积分，时间常数为T，可得：

忽略一个周期内V_out和i_g的变化量：

具体工作过程为：当脉冲到来RS触发器的Q端被置为高电平，对应

此时为低电平，开关S导通，电感电流上升，输出电压V_out经过PI调节器得到调制电压V_M。V_M一方面被送入积分器中进行积分，即实现等式(8)右侧表达式；另一方面V_M与流过检测电阻产生的压降i_gR_s在减法器中相减，即实现了等式(8)左侧表达式，V_M积分的结果与减法器的结果作为输入送到比较器中进行比较。当两部分相等时比较器输出高电平，此时RS触发器的Q端复位，Q端为高电平，开关S关断，电感电流为负载提供能量而下降直至下一个脉冲到来。这种方式在每一个时钟周期到来时通过驱动控制开关管开通，同时积分器开始积分直至控制方程左右两端等式相等，比较器的输出翻转。积分器积分的过程就是电感电流上升的过程，检测的输入电流也就是流过开关电流，这种方式被称为后沿调制。后沿调制和大多数普通的PWM控制方式一样是通过调制开关管的开通占空比D来实现所需控制的，控制方式中时钟信号是用来触发开关管驱动的上升沿，而驱动下降沿则通过比较器来触发。

相比于图2的现有技术，图3为改进后的单周期控制。其控制电路包括：二次积分器、减法器、比较器、振荡器和二输入同或门。对输出端采样的电压V_EA经过两次积分电路得到V₂，V₂接在比较器的正向端，比较器的反向端接减法器的输出，减法器的正向端接输出电压的采样值，减法器的反向端接输入电压的采样值。比较器的输出端接在同或门的一输入端，同或门另一输入端接振荡器输出的CLOCK信号，同时CLOCK控制与积分器中电容并联的开关S1和开关S2。当CLOCK为高电平时，开关S1和开关S2闭合，积分器不工作；当CLOCK为低电平时，开关S1和开关S2断开，积分器开始对输出端的采样电压积分。最后，将同或门的输出信号接入驱动电路输出gate信号作为开关管的栅极驱动信号。

其理论原理分析如下：

当工作在DCM下，假设交流输入电压为纯正弦波，其表达式为：

V_in＝V_m sinωt (9)

其中，V_m为交流电压的峰值，那么整流后的电压为：

V_g＝V_m|sinωt| (10)

在一个开关周期内，电感电流峰值为：

其中，D_y为占空比，T_s为开关周期。在每个开关周期内，升压电感L_b两端的伏秒积平衡，即：

V_gD_yT_s＝(V₀-V_g)D_RT_s (12)

其中，V₀为输出电压，D_R为电感电流下降到零所对应的占空比。由式(12)得：

根据(12)，可以得到一个开关周期内流过电感电流的平均值为：

其中，f_s为开关频率。

从式(14)可以看出，输入电流的形状只和V_m/V_o有关，V_m/V_o越小，输入电流越接近于正弦。这是因为电感电流上升阶段，其平均值为正弦形式；而在电感电流下降阶段，下降斜率与V_m/V_o有关，V_m/V_o越小，电感电流下降越快，此阶段电感电流的平均值越接近0。从而在整个开关周期内电流的平均值越接近正弦形式。

如果在一个工频周期内，使占空比按照下式变化：

其中，D₀为一个常数。可得平均输入电流为:

从式(13)可以看出，如果在一个工频周期内，使占空比按照式(15)变化，则可以使输入电流为正弦波，并与输入电压同相位，也就是可以使PF＝1。

具体工作过程为：在CLOCK信号为高电平时，积分器开关S₁和S₂导通，两个积分器停止积分，A点电位为零，通过同或门逻辑使得开关管Q_b为低电位。当CLOCK信号为低电平时，积分器开关S₁和S₂断开，两个积分器开始积分，V₂点电位逐渐变高，当V₂点电位大于比较器的反向端，比较器翻转，A点电位变为高电平。等待下一个CLOCK信号高电平来临后重复以上过程。具体关键点信号变化参见图4，积分器开始积分V₂从零开始上升，其表达式为：

式中，V_EA为V₀的采样电压，假设在一个开关周期内为常数；t_y为积分持续时间，当V₂到达K(V_O-V_g)这个阈值时，比较器翻转，此时的积分时间为：

此时的占空比为：

保持开关周期不变时，此时的平均电流变为标准的正弦波，实现高PF。

参看图5(a)和图5(b)，对两种控制方式通过SIMPLIS的软件计算可以看出来，现有技术下系统的PF为0.987，THD为15.6％。而在改进后的单周期控制方式下，系统的PF可以达到0.997，THD达到7.74％。极大地改善了系统的功率因数。

Claims (3)

1.一种基于Boost电路的单周期PF控制器，其特征在于，包括：

减法器，其正向端接Boost电路输出电压的采样信号，其反向端接Boost电路输入电压的采样信号；

二次积分器，包含串接的两个积分单元，每个积分单元的积分电容的两极之间接有以时钟信号为控制信号的开关管，首个积分单元的输入端接减法器的输出端，第二个积分单元的输出Boost电路输出电压采样信号的积分值；

比较器，其正向端接二次积分器的输出端，其反向端接减法器的输出端，在Boost电路输出电压采样信号的积分值与减法器输出信号相等时翻转；及，

二输入同或门，其一输入端接比较器的输出端，其另一输入端接时钟信号，输出与时钟信号同周期且在比较器开始工作至翻转的时间内维持Boost电路中功率开关管导通的占空比信号。

2.根据权利要求1所述一种基于Boost电路的单周期PF控制器，其特征在于，所述时钟信号由振荡器提供。

3.根据权利要求1所述一种基于Boost电路的单周期PF控制器，其特征在于，所述占空比信号为：

D_y为占空比信号，D₀为一个常数，

K为采样电路的比例系数，R₁、C₁为一个积分单元中电阻和电容的参数，R₂、C₂为另一个积分单元中电阻和电容的参数，T_s为开关周期，V_m为输入电压信号的峰值，V₀为输出电压，ω为输入电压信号的工频。

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