CN111740583A - 一种单周期控制在混合导通模式中的模态切换方法及电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种单周期控制在混合导通模式中的模态切换方法及电路，该方法基于应用于单周期控制策略，通过分析每个周期内的电感电流采样值与电压环PI调节器输出信号量，经过一系列的计算和比较，从而精确计算占空比。相比于传统的单周期控制，本发明提出的模态切换方法能够使单周期控制更好地应用于存在混合导通模式的PFC电路中，显著提高了电路的功率因数，拓宽了单周期控制的应用范围；同时也保留了单周期控制无需输入电压检测环节的特点，针对不同输入电压，不同功率等级均能够精确判断电流工作模式，对于其他应用单周期控制策略的不同电路拓扑，本方法同样具有参考意义。

Description

一种单周期控制在混合导通模式中的模态切换方法及电路
技术领域
本发明涉及一种单周期控制方法，尤其涉及一种单周期控制在混合导通模式中的模态切换方法及电路。
背景技术
单周期控制技术(One-Cycle Control)是上世纪90年代由Smedley K.M.提出的一种大信号非线性控制方法，最早是用于DC-DC直流变换器，单周期控制的基本思想是控制电路中开关的占空比，使每一个周期内开关变量的平均值与控制参考量相等或者成比例关系，平均值与控制量相等或成比例关系的目的是为了使在一个开关周期内自动消除瞬态误差，使前一个周期的误差不会带到下一个周期。单周期控制具有无需输入电压采样、响应速度快、鲁棒性好和自适应性等特点，近几年来，单周期控制在PFC技术上得到了广泛的工业应用和发展，并取得了良好的控制效果。
然而，目前的单周期控模拟控制芯片主要应用在电感电流连续场合，在某些情况下，例如功率较小，输入电压较大，或是多路并联的拓扑中，电感电流较小，极易发生断续情况，尤其是在电感电流过零点处。这样就会造成电流断续时谐波分量较为大，低载时不稳定，过零点畸变等问题。
发明内容
发明目的：针对以上问题，本发明提出一种单周期控制在混合导通模式中的模态切换方法及电路，能够对不同的单周期控制模态进行准确控制，显著提高多模态并存的混合导通模式电路的功率因数。
技术方案：本发明所采用的技术方案是一种单周期控制在混合导通模式中的模态切换方法，包括以下步骤：
(1)控制模块对电路的输出电压Vo以及电感电流iL采样，所得输出电压Vo与参考信号相比较，比较误差经过放大，得到放大的输出信号Vm，并计算得到电路的输入电压Vg。其中，所述的比较误差经过放大，采用的是电压环PI调节器来放大比较误差；所述的输入电压Vg计算式为：
Figure BDA0002528964340000011
其中Vc＝iL·Rs，Rs为电感电流的采样系数。
(2)控制模块根据所述的输入电压Vg以及输出电压Vo计算单周期工作模态切换的切换阈值Vm0，比较放大的输出信号Vm与所述切换阈值Vm0，并据此判断此时电路的工作状态。所述的比较放大的输出信号Vm与所述切换阈值Vm0，并据此判断此时电路的工作状态，是指当放大的输出信号Vm大于切换阈值Vm0时，判断电路当前的工作状态为电感电流连续模式，否则判断电路当前的工作状态为电感电流断续模式。切换阈值Vm0的计算式为：
Figure BDA0002528964340000021
其中
Figure BDA0002528964340000022
L为升压电感值，fs为开关频率。
(3)控制模块分别对不同的工作状态应用对应的单周期控制算法计算占空比。计算占空比d包括：
(3.1)电感电流断续模式下：
Figure BDA0002528964340000023
式中Rs为电感电流的采样系数；
Figure BDA0002528964340000024
L为升压电感值，fs为开关频率。
(3.2)电感电流连续模式下：
Figure BDA0002528964340000025
式中Rs为电感电流的采样系数。
(4)控制模块根据所述的占空比控制开关管，实现对电路的单周期控制。
(5)重复步骤(1)～(4)。
本发明基于上述方法，提出一种Boost PFC变换器控制电路，包括开关电路、PI调节器和控制模块，所述开关电路的输出电压经比较器计算误差，经过所述PI调节器放大后发送至控制模块，所述控制模块同时采集电感电流，所述控制模块用于分析每个周期内的电感电流采样值与电压环PI调节器输出信号量，计算切换阈值，并根据切换阈值与PI调节器的输出电压之间的大小关系判断电路当前单周期的工作状态，分别对不同的工作状态计算对应的占空比，并据此控制Boost开关管，实现对开关电路的单周期控制。
其中，所述的计算切换阈值，切换阈值Vm0的计算式为：
Figure BDA0002528964340000026
其中
Figure BDA0002528964340000027
L为升压电感值，fs为开关频率，Vg为开关电路的输入电压，Vo为开关电路的输出电压；
所述的分别对不同的工作状态计算对应的占空比，占空比d计算式为：
当电压环PI调节器的输出电压值大于切换阈值时，
Figure BDA0002528964340000031
当电压环PI调节器的输出电压值不大于切换阈值时，
Figure BDA0002528964340000032
两式中Vm为电压环PI调节器的输出电压值，Rs为电感电流的采样系数，iL为电感电流采样值。
与Boost PFC变换器控制电路相类似的，本发明提出交错并联Boost控制电路，包括交错并联开关电路、PI调节器和控制模块，所述交错并联开关电路的输出电压经比较器计算误差，经过所述PI调节器放大后发送至控制模块，所述控制模块同时采集电感电流，所述控制模块用于分析每个周期内的电感电流采样值与电压环PI调节器输出信号量，计算切换阈值，并根据切换阈值与PI调节器的输出电压之间的大小关系判断电路当前单周期的工作状态，分别对不同的工作状态计算对应的占空比，并据此控制Boost开关管，实现对交错并联开关电路的单周期控制。
其中，所述的切换阈值以及占空比的计算式与Boost PFC变换器控制电路中的一致。
有益效果：相比于传统的单周期控制，本发明提出的模态切换方法能够使单周期控制更好地应用于存在混合导通模式的PFC电路中，显著提高电流断续时的功率因数，拓宽了单周期控制的应用范围；同时也保留了单周期控制无需输入电压检测环节的特点，针对不同输入电压，不同功率等级均能够精确判断电流工作模式，对于其他应用单周期控制策略的不同电路拓扑，本方法同样具有参考意义。
附图说明
图1是本发明所述的应用于Boost PFC变换器的控制电路示意图；
图2是电流断续时驱动与电感电流的波形；
图3是电流连续时驱动与电感电流的波形；
图4是本发明所述的应用于交错并联Boost电路拓扑的控制电路示意图；
图5是电感电流断续模式整流后输入电压与电感电流的仿真波形；
图6是电感电流连续模式整流后输入电压与电感电流的仿真波形。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
实施例1
本发明所述的单周期控制在混合导通模式中的模态切换方法，可适用于BoostPFC变换器，针对PFC电路的不同工作模态应用对应的单周期控制算法，并给出了单周期控制在混合导通模式中的模态切换方法。该方法基于应用于Boost PFC电路的单周期控制策略，通过分析每个周期内的电感电流采样值与电压环PI调节器输出信号量，经过一系列计算和比较，精确判断电路在一个开关周期内处于电流连续模式或是电流断续模式，进而分情况应用不同的控制算法给出占空比计算方法。
如图1所示，为本发明所述的Boost PFC变换器的控制电路示意图，包括开关电路、PI调节器和控制模块，开关电路的输出电压经比较器计算误差，经过PI调节器放大后发送至控制模块，控制模块同时采集电感电流，控制模块用于分析每个周期内的电感电流采样值与电压环PI调节器输出信号量，计算切换阈值，并根据切换阈值与PI调节器的输出电压之间的大小关系判断电路当前单周期的工作状态，分别对不同的工作状态计算对应的占空比，并据此控制Boost开关管，实现对开关电路的单周期控制。
应用在该电路中的单周期控制在混合导通模式中的模态切换方法，包括以下步骤：
(1)根据电压环PI调节器输出信号Vm计算电路等效输入阻抗Re，而后结合电感电流采样值iL求得此时的输入电压Vg。
其中，输入电压Vg计算过程如下：
(1.1)首先根据单周期控制算法，等效输入阻抗Re与Vm成反比：
Figure BDA0002528964340000041
其中Rs为电感电流的采样系数，其值为电感电流端的等效采样电阻；
(1.2)计算得等效输入阻抗后，乘以实际的电感电流得到此开关周期内的输入电压Vg：
Figure BDA0002528964340000042
其中iL为电感电流，Vc为电感电压值，Vc＝iL·Rs。
(2)根据步骤(1)计算得到的输入电压Vg以及采样得到的输出电压值Vo来计算单周期工作模态切换的阈值，并通过其与电压环PI调节器输出信号Vm的比较来判断此时电路的工作状态；
其中，模态切换阈值Vm0计算方法如下：
Figure BDA0002528964340000043
式中
Figure BDA0002528964340000051
L为升压电感值，fs为开关频率。
当Vm大于Vm0时采用单周期控制CCM算法，否则采用DCM算法。
(3)分别对不同工作状态应用对应的单周期控制算法计算占空比。其中，单周期控制在两种模态中占空比的计算方法分别如下：
3.1)电感电流断续模式(DCM)下：
Figure BDA0002528964340000052
3.2)电感电流连续模式(CCM)下：
Figure BDA0002528964340000053
上述两占空比计算式中，iL为电感电流，Vm为电压环PI调节器的输出信号，Rs为电感电流的采样系数。电感电流断续和连续的波形具体如图2和图3所示。
(4)不断重复步骤(1)～(3)，实现对每个开关周期占空比的精准计算，并依据计算所得的占空比对boost开关管进行控制。
实施例2
如图4所示，为两路交错并联Boost电路拓扑的控制电路示意图。包括交错并联开关电路、PI调节器和控制模块，所述交错并联开关电路的输出电压经比较器计算误差，经过所述PI调节器放大后发送至控制模块，所述控制模块同时采集电感电流，所述控制模块用于分析每个周期内的电感电流采样值与电压环PI调节器输出信号量，计算切换阈值，并根据切换阈值与PI调节器的输出电压之间的大小关系判断电路当前单周期的工作状态，分别对不同的工作状态计算对应的占空比，并据此控制Boost开关管，实现对交错并联开关电路的单周期控制。
应用在该电路中的单周期控制在混合导通模式中的模态切换方法，包括以下步骤：
(1)根据电压环PI调节器输出信号Vm计算电路等效输入阻抗Re，而后结合电感电流采样值iL求得此时的输入电压Vg。
其中，输入电压Vg计算过程如下：
(1.1)首先根据单周期控制算法，等效输入阻抗Re与Vm成反比：
其中Rs为电感电流的采样系数。
(1.2)计算得等效输入阻抗后，乘以实际的电感电流得到此开关周期内的输入电压Vg：
Figure BDA0002528964340000061
其中iL为电感电流，Vc为电感电压值，Vc＝iL·Rs。
(2)根据步骤(1)计算得到的输入电压Vg以及采样得到的输出电压值Vo来计算单周期工作模态切换的阈值，并通过其与电压环PI调节器输出信号Vm的比较来判断此时电路的工作状态；
其中，模态切换阈值Vm0计算方法如下：
Figure BDA0002528964340000062
式中
Figure BDA0002528964340000063
L为升压电感值，fs为开关频率。
当Vm大于Vm0时采用单周期控制CCM算法，否则采用DCM算法。
(3)分别对不同工作状态应用对应的单周期控制算法计算占空比。其中，单周期控制在两种模态中占空比的计算方法分别如下：
3.1)电感电流断续模式(DCM)下：
Figure BDA0002528964340000064
3.2)电感电流连续模式(CCM)下：
Figure BDA0002528964340000065
上述两占空比计算式中，iL为电感电流采样值。
(4)依据计算所得的占空比对boost开关管进行控制。
(5)不断重复步骤(1)～(4)，实现对每个开关周期占空比的精准计算。
在多路并联的拓扑中，支路电流纹波一般较大，因此电路较容易处于混合导通连续模式。图5、6分别是电感电流断续和连续模式下整流后输入电压与电感电流的仿真波形，可以看到电感电流能够很好地跟踪电压的波形，且能够达到较高的功率因数。
本发明所述的单周期控制在混合导通模式中的模态切换方法还可以应用在各类单周期控制的开关电路中。

Claims (10)

1.一种单周期控制在混合导通模式中的模态切换方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)控制模块对电路的输出电压Vo以及电感电流iL采样，所得输出电压Vo与参考信号相比较，比较误差经过放大，得到放大的输出信号Vm，并计算得到电路的输入电压Vg；
(2)控制模块根据所述的输入电压Vg以及输出电压Vo计算单周期工作模态切换的切换阈值Vm0，比较放大的输出信号Vm与所述切换阈值Vm0，并据此判断此时电路的工作状态；
(3)控制模块分别对不同的工作状态应用对应的单周期控制算法计算占空比；
(4)控制模块根据所述的占空比控制开关管，实现对电路的单周期控制；
(5)重复步骤(1)～(4)。
2.根据权利要求1所述的单周期控制在混合导通模式中的模态切换方法，其特征在于：步骤(1)中所述的输入电压Vg计算式为：
Figure FDA0002528964330000011
其中Vc＝iL·Rs，Rs为电感电流的采样系数。
3.根据权利要求1所述的单周期控制在混合导通模式中的模态切换方法，其特征在于：步骤(2)中所述的比较放大的输出信号Vm与所述切换阈值Vm0，并据此判断此时电路的工作状态，是指当放大的输出信号Vm大于切换阈值Vm0时，判断电路当前的工作状态为电感电流连续模式，否则判断电路当前的工作状态为电感电流断续模式。
4.根据权利要求1所述的单周期控制在混合导通模式中的模态切换方法，其特征在于，步骤(2)中所述的切换阈值Vm0的计算式为：
Figure FDA0002528964330000012
其中
Figure FDA0002528964330000013
L为升压电感值，fs为开关频率。
5.根据权利要求1所述的单周期控制在混合导通模式中的模态切换方法，其特征在于：步骤(3)中所述的分别对不同的工作状态应用对应的单周期控制算法计算占空比d包括：
(3.1)电感电流断续模式下：
Figure FDA0002528964330000014
式中Rs为电感电流的采样系数；
Figure FDA0002528964330000021
乙为升压电感值，fs为开关频率。
(3.2)电感电流连续模式下：
Figure FDA0002528964330000022
式中Rs为电感电流的采样系数。
6.根据权利要求1所述的单周期控制在混合导通模式中的模态切换方法，其特征在于：步骤(1)中所述的比较误差经过放大，采用的是电压环PI调节器来放大比较误差。
7.一种Boost PFC变换器控制电路，其特征在于：包括开关电路、PI调节器和控制模块，所述开关电路的输出电压经比较器计算误差，经过所述PI调节器放大后发送至控制模块，所述控制模块同时采集电感电流，所述控制模块用于分析每个周期内的电感电流采样值与电压环PI调节器输出信号量，计算切换阈值，并根据切换阈值与PI调节器的输出电压之间的大小关系判断电路当前单周期的工作状态，分别对不同的工作状态计算对应的占空比，并据此控制Boost开关管，实现对开关电路的单周期控制。
8.根据权利要求7所述的Boost PFC变换器控制电路，其特征在于：所述的计算切换阈值，切换阈值Vm0的计算式为：
Figure FDA0002528964330000023
其中
Figure FDA0002528964330000024
L为升压电感值，fs为开关频率，Vg为开关电路的输入电压，Vo为开关电路的输出电压；
所述的分别对不同的工作状态计算对应的占空比，占空比d计算式为：
当电压环PI调节器的输出电压值大于切换阈值时，
Figure FDA0002528964330000025
当电压环PI调节器的输出电压值不大于切换阈值时，
Figure FDA0002528964330000026
两式中Vm为电压环PI调节器的输出电压值，Rs为电感电流的采样系数，iL为电感电流采样值。
9.一种交错并联Boost控制电路，其特征在于：包括交错并联开关电路、PI调节器和控制模块，所述交错并联开关电路的输出电压经比较器计算误差，经过所述PI调节器放大后发送至控制模块，所述控制模块同时采集电感电流，所述控制模块用于分析每个周期内的电感电流采样值与电压环PI调节器输出信号量，计算切换阈值，并根据切换阈值与PI调节器的输出电压之间的大小关系判断电路当前单周期的工作状态，分别对不同的工作状态计算对应的占空比，并据此控制Boost开关管，实现对交错并联开关电路的单周期控制。
10.根据权利要求9所述的交错并联Boost控制电路，其特征在于：所述的计算切换阈值，切换阈值Vm0的计算式为：
Figure FDA0002528964330000031
其中
Figure FDA0002528964330000032
L为升压电感值，fs为开关频率，Vg为开关电路的输入电压，Vo为开关电路的输出电压；
所述的分别对不同的工作状态计算对应的占空比，占空比d计算式为：
当电压环PI调节器的输出电压值大于切换阈值时，
Figure FDA0002528964330000033
当电压环PI调节器的输出电压值不大于切换阈值时，
Figure FDA0002528964330000034
两式中Vm为电压环PI调节器的输出电压值，Rs为电感电流的采样系数，iL为电感电流采样值。
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