CN111769735A - 一种解决pfc输入动态的可靠控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出的一种PFC输入动态的可靠控制方法，在传统的PFC控制环路中，加入输入电流的变化量ΔI作用于电流环最终的环路输出结果Piout，来抑制由输入电压跳变造成的电流尖峰；通过实时采样的输出电压波形，来识别输入电压跳变的类型，并且可通过不同的输入电压跳变类型切换相应的控制策略，本发明提出的在非过零点处和过零点处输入电压跳变的两种有效识别方法，有效抑制所有输入电压跳变产生的输入电流尖峰。

Description

一种解决PFC输入动态的可靠控制方法

技术领域

本发明涉及高频数字控制电源、电动汽车充电模块领域，尤其涉及AC-DC整流电源和车载电源。

背景技术

目前电源领域内，为了降低无功电流带来的传输损耗，以及避免电网受到来自电源设备的谐波污染。所有市电交流输入的单相或三相电源模块，对功率因数（PF值）和输入电流的总谐波分量（即输入电流的ITHD）都有严格的标准限值。

电源模块为了保证高功率因数PF值，以及低总谐波分量ITHD，需要增加一级功率因数校正电路（即PFC电路）。

传统的单相PFC环路控制电路为例，PFC的环路控制策略采用电压外环嵌套电流内环的方式实现，即用输出电压外环的结果Vpiout乘以输入电压的实时采样的波形值Vin_samp，做为输入电流内环的给定。使得输入电流波形实时跟随输入电压波形，从而降低输入电流滞后输入电压波形的相位角越小，提高功率因数PF值。

如图1，在正常工作模式下，传统控制策略能保证输入电流实时跟随输入电压波形，实现较高的PF值和较低的ITHD。但是，当输入电压出现很大的跳变时，特别是输入电压从低压跳变到高压，按单相BOOST电路的占空比计算关系：

当输出电压Vout不变时，输入电压Vin从低压跳变到高压时，实际需求的占空比D应该变小。但是根据传统的控制策略，当输入电压从低压跳变到高压时，输入电压的实时采样值会变大，电流环的给定值Iref，为实时电压采样值Vin_samp乘以电压环的输出结果Vpiout，由于电压环的带宽很低一般在50Hz以下，所以电压环的输出结果Vpiout基本不变，这时电流环的给定取决于输入电压实时采样值。当输入电压实时采样值变大时，电流环的给定值相应变大，导致电流环输出结果变大，最终造成环路输出更大的占空比D。

当环路输出占空比D远大于最终稳态实际需求的占空比时，PFC的电感电流将急剧上升，使得输入电流出现很大的尖峰，存在严重的可靠性风险。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出一种PFC电路的输入动态控制方法，在传统的PFC环路控制的基础上，当识别到输入电压跳变时，加入输入电流的变化量ΔI作用于电流环最终的环路输出结果Piout，来抑制由输入电压跳变造成的电流尖峰，大幅提高电源模块在输入动态下的可靠性。

通过实时采样的输出电压波形，来识别输入电压跳变的类型，并且可通过不同的输入电压跳变类型切换相应的控制策略，本发明提出的在非过零点处和过零点处输入电压跳变的两种有效识别方法，有效抑制所有输入电压跳变产生的输入电流尖峰。

当输入电压发生跳变时，通过计算输入电流当前拍Iin0与上一拍采样值Iin1的变化差值ΔI，当ΔI小于0时，将ΔI赋值0，此时输入电流处于下降状态，不需要将电流环输出结果再减去输入电流变化量的补偿值了，将取正后的ΔI值乘以补偿系数Kp，该补偿系数Kp取决于输入电流上升斜率和输出占空比的衰减速度；在保证输入电流动态时不振荡的前提下，Kp值越大越好。得到环路补偿量dIout，直接作用于电流环的输出结果Piout，能在当前拍立即降低发波占空比，从而抑制输入电压跳变产生的输入电流尖峰。

附图说明

图1 是传统PFC环路控制框图；

图2 根据本发明的加入跳变策略后的PFC环路控制框图；

图3 是I区输入电压非过零点附近跳变情况；

图4 是II区输入电压过零点附近跳变情况；

图5 是I区非过零点区域的输入电压跳变策略流程图；

图6 是II区过零点区域的输入电压跳变策略流程图。

具体实施方式

为了实现本发明的技术方案，让更多的工程人员了解到本发明，下面将结合具体实施方式和控制方案，进一步阐释能量均衡策略。

如图2所示，主功率电路：输入交流源Vac，整流桥B1，Lpfc为输入差模电感，D1为输出二极管，Q1为开关MOS管，Cout为输出滤波电容，RL为输出负载。控制环路：Vout为输出电压值，1/HS为输出电压采样系数，Vref为输出电压设置值，VA为电压运算放大器，Kv为电压环路补偿，一般可设计成PI补偿器形式，MPY为乘法器，1/Kv为输入电压采样系数，电压环的输出结果乘上输入电压波形作为电流环的给定Iref；Iin为输入电流，Ri为输入电流采样系数，Iin0为当前拍输入电流采样值，CA为输入电流运算放大器，PI为电流环的环路PI补偿器，Piout为电流环的环路输出结果；Iin1为输入电流上一拍的采样值，Kp为电流补偿系数，该补偿系数Kp取决于输入电流上升斜率和输出占空比的衰减速度； Kp取值越大对输入电流的尖峰抑制速度越快，但是Kp取值太大会造成动态时输入电流出现振荡。所以在实际项目中调节Kp值时，保证输入电流动态时不振荡的前提下，Kp值越大越好。dIout为输入电流变化的环路补偿量，Sd为输入跳变识别标志位，mod为PWM发波的脉宽调制器。

实际的电网，输入电压跳变可能发生在交流输入的工频周期任意相位角。我们将输入电压跳变的情况分成如图3和图4所示的两种情况处理：

I区-非过零点区域的输入电压跳变：

当输入电压跳变发生在输入电压的非过零点的区域时，数字控制芯片可通过ADC采样检测输入电压，通过检测输入电压的ΔVI存在突然上升或者突然下降，从而判断出输入电压跳变方向，触发相应的控制策略，具体控制流程如图5。

具体策略详细描述如下：

（1）电源模块上电；

（2）初始化变量，将变量Vin、Vin1、Iin、Vin_rms、Iin_rms、Iin_pk、Piout全部清零；

（3）已设定的采样频率f，采样当前的输入电压Vin、当前输入电流Iin，并且保持上一拍的输入电压采样值Vin1；

（4）通过采样工频周期内所有的输入电压采样值和输入电流采样值，可计算出模块在输入电压跳变之前的输入电压有效值Vin_rms，输入电流有效值Iin_rms；

（5）通过采样当前拍的输入电压值和上一拍的输入电压值，如果输入电压变化量|Vin-Vin1|大于Vset值，则判断输入电压出现跳变。Vset值大小与采样频率相关，设计时需要保证稳态下输入电压的两拍之间的采样变化量不会大于Vset；

（6）通过对比输入电压当前拍采样电压幅值与上一拍采样电压幅值的大小，判断输入电压的跳变方向；

（7）-（8） 当|Vin|>|Vin1|时，输入电压从低压跳变到高压，这时模块实际需求的输入电流应小于之前的模块输入电流，所以通过跳变前的输入电流有效值Iin_rms，计算出电流峰值Iin_pk，对跳变后的输入电流进行限幅；

（9）-（10）当前采样的输入电流值大于跳变前的输入电流峰值Iin_pk时，输入跳变识别标志Sd置1，最终控制发波值为上一拍的电流环的环路输出结果减去输入电流变化量补偿值，即Piout=Piout-dIout，能立即抑制输入电压从低压跳变高压导致的电流尖峰；

（11）-（12）当|Vin|<|Vin1|时，输入电压从高压跳变到低压，这时模块实际需求的输入电流会大于之前的模块输入电流，但是小于当前输入功率下的最小输入电压对应的输入电流峰值；

即：Iin_pk = 1.414*(Vin_rms*Iin_rms/Vin_min)

公式中跳变前的输入功率为（Vin_rms*Iin_rms），模块允许的最小输入电压为Vin_min；

（13）-（14）当前采样的输入电流值大于计算的Iin_pk时，输入跳变识别标志Sd置1，电流环的环路输出结果减去输入电流变化量补偿值做为最终控制发波值，即Piout=Piout-dIout，能立即抑制输入电压从高压跳变低压导致的电流尖峰；

（15）-(16) 将Piout结果作为当前拍PFC开关管的发波占空比值。

Ⅱ区-过零点区域的输入电压跳变：

当输入电压的跳变处于输入电压的过零点附近时，跳变的输入电压阶跃ΔVII 很小，不能通过采样值当前拍和上一拍差值的方式识别跳变。可通过输入电压峰值来识别输入电压跳变工况，再通过相应的控制策略抑制输入电流尖峰。如图6所示：

（1）电源模块上电；

（2）初始化变量，将变量Vin、Vin1、Iin、Vin_rms、Iin_rms、Iin_pk、Piout全部清零；

（3）已设定的采样频率f，采样当前的输入电压Vin、当前输入电流Iin，并且保持上一拍的输入电压采样值Vin1；

（4）通过采样工频周期内所有的输入电压采样值和输入电流采样值，可计算出模块在输入电压跳变之前的输入电压有效值Vin_rms，输入电流有效值Iin_rms；

（5）当输入电压的当前采样值Vin大于跳变前输入电压的峰值1.414*Vin_rms加设置的采样偏差值Vset，则判断输入电压从低压跳变到输入高压。当判断不成立时，输入电压正常；

（6）删除；

（7）-（8） 当|Vin|>|Vin1|时，输入电压从低压跳变到高压，这时模块实际需求的输入电流应小于之前的模块输入电流，所以通过跳变前的输入电流有效值Iin_rms，计算出电流峰值Iin_pk，对跳变后的输入电流进行限幅；

（9）-（10）当前采样的输入电流值大于跳变前的输入电流峰值Iin_pk时，输入跳变识别标志Sd置1，当前拍电流环的环路输出结果减去输入电流变化量补偿值做为最终控制发波值，即Piout=Piout-dIout，能立即抑制输入电压从低压跳变高压导致的电流尖峰；

（11）删除；

（12）当判断输入电压正常时，可对输入电流的最大值进行限幅。即模块的最大输入电流应小于最低输出电压下满功率输出的最大电流峰值；

即：Iin_pk = 1.414 * Pmax /（Vin_min*η)

公式中Pmax为模块能输出的最大功率，模块允许的最小输入电压为Vin_min，η为模块的效率下限值；

（13）-（14）当前采样的输入电流值大于计算的Iin_pk时，输入跳变识别标志Sd置1，当前拍电流环的环路输出结果减去输入电流变化量补偿值做为最终控制发波值，即Piout=Piout-dIout，能立即抑制输入电压从高压跳变低压导致的电流尖峰；

（15）-(16) 将Piout结果作为当前拍PFC开关管的发波占空比值。

本发明通过实时采样到的输出电压波形，识别出输入电压跳变工况。然后根据不同类型的输入电压跳变类型，进行相应的控制策略抑制输入电流尖峰，大幅提高PFC部分器件的可靠性。

上述实施方式仅是示例性的示出本发明，并不企图限制本发明。另外对于没有详细描述的步骤属于本领域技术人员熟知的技术内容。对于涵盖在本发明构思内的相应的变换和更改均在本发明范围内。

Claims (8)

1.一种PFC电路的输入动态控制方法，通过实时采样的输出电压波形，来识别输入电压跳变的类型，并且通过不同的输入电压跳变类型切换相应的控制策略，当识别到输入电压跳变时，通过计算输入电流当前拍Iin0与上一拍采样值Iin1的变化差值ΔI，将取正后的ΔI值乘以补偿系数Kp得到环路补偿量dIout，直接作用于电流环的输出结果Piout，在当前拍立即降低发波占空比，从而抑制输入电压跳变产生的输入电流尖峰；该补偿系数Kp取决于输入电流上升斜率和输出占空比的衰减速度，在保证输入电流动态时不振荡的前提下，Kp值越大越好。

2.根据权利要求1的控制方法，其中输入电压跳变的类型包括在非过零点处和过零点处输入电压跳变类型。

3.根据权利要求1的控制方法，其中得到环路补偿量dIout直接作用于电流环的输出结果Piout包括：将当前拍电流环的环路输出结果减去输入电流变化量补偿值做为最终控制发波值。

4.根据权利要求1的控制方法，当输入电压跳变发生在输入电压的非过零点的区域时，通过检测输入电压的ΔVI存在突然上升或者突然下降，从而判断出输入电压跳变方向，触发相应的控制策略。

5.根据权利要求4的控制方法，包括：

（1）电源模块上电；

（2）初始化变量，将输入电压Vin、上一拍的输入电压采样值Vin1、输入电流Iin、输入电压有效值Vin_rms、输入电流有效值Iin_rms、跳变前的输入电流峰值Iin_pk、电流环的环路输出结果Piout全部清零；

（3）已设定的采样频率f，采样当前的输入电压Vin、当前输入电流Iin，并且保持上一拍的输入电压采样值Vin1；

（4）通过采样工频周期内所有的输入电压采样值和输入电流采样值，可计算出在输入电压跳变之前的输入电压有效值Vin_rms，输入电流有效值Iin_rms；

（5）通过采样当前拍的输入电压值和上一拍的输入电压值，如果输入电压变化量|Vin-Vin1|大于等于Vset值，则判断输入电压出现跳变；

（6）通过对比输入电压当前拍采样电压幅值与上一拍采样电压幅值的大小，判断输入电压的跳变方向；

（7）-（8） 当|Vin|>|Vin1|时，输入电压从低压跳变到高压，这时实际需求的输入电流应小于之前的输入电流，所以通过跳变前的输入电流有效值Iin_rms，计算出输入电流峰值Iin_pk，对跳变后的输入电流进行限幅；

（9）-（10）当前采样的输入电流值大于等于跳变前的输入电流峰值Iin_pk时，输入跳变识别标志Sd置1，最终控制发波值为当前拍的电流环的环路输出结果减去输入电流变化量补偿值，能立即抑制输入电压从低压跳变高压导致的电流尖峰；

（11）-（12）当|Vin|<|Vin1|时，输入电压从高压跳变到低压，这时实际需求的输入电流会大于之前的输入电流，但是小于当前输入功率下的最小输入电压对应的输入电流峰值，

即：Iin_pk = 1.414*(Vin_rms*Iin_rms/Vin_min)

公式中跳变前的输入功率为（Vin_rms*Iin_rms），允许的最小输入电压为Vin_min；

（13）-（14）当前采样的输入电流值大于等于计算的Iin_pk时，输入跳变识别标志Sd置1，当前拍电流环的环路输出结果减去输入电流变化量补偿值做为最终控制发波值，能立即抑制输入电压从高压跳变低压导致的电流尖峰；

（15）-(16) 将Piout结果作为当前拍PFC开关管的发波占空比值。

6.根据权利要求5的控制方法，其中Vset值大小与采样频率相关，稳态下输入电压的两拍之间的采样变化量不会大于Vset。

7.根据权利要求1的控制方法，当输入电压的跳变处于输入电压的过零点附近时，跳变的输入电压阶跃ΔVII 很小，通过输入电压峰值来识别输入电压跳变工况，再通过相应的控制策略抑制输入电流尖峰。

8.根据权利要求7的控制方法，包括：

（1）电源模块上电；

（2）初始化变量，将变量将输入电压Vin、上一拍的输入电压采样值Vin1、输入电流Iin、输入电压有效值Vin_rms、输入电流有效值Iin_rms、跳变前的输入电流峰值Iin_pk、电流环的环路输出结果Piout全部清零；

（3）已设定的采样频率f，采样当前的输入电压Vin、当前输入电流Iin，并且保持上一拍的输入电压采样值Vin1；

（4）通过采样工频（频率）周期内所有的输入电压采样值和输入电流采样值，可计算出在输入电压跳变之前的输入电压有效值Vin_rms，输入电流有效值Iin_rms；

（5）当输入电压Vin的当前采样值大于等于跳变前输入电压的峰值1.414*Vin_rms加设置的采样偏差值Vset，则判断输入电压从低压跳变到输入高压；当判断不成立时，输入电压正常；

（6）-（7） 当|Vin|>|Vin1|时，输入电压从低压跳变到高压，这时实际需求的输入电流应小于之前的输入电流，通过跳变前的输入电流有效值Iin_rms，计算出输入电流峰值Iin_pk，对跳变后的输入电流进行限幅；

（8）-（9）当前采样的输入电流值大于等于跳变前的输入电流峰值Iin_pk时，输入跳变识别标志Sd置1，当前拍电流环的环路输出结果减去输入电流变化量补偿值做为最终控制发波值，能立即抑制输入电压从低压跳变高压导致的电流尖峰；

（10）当判断输入电压正常时，可对输入电流的最大值进行限幅，即最大输入电流应小于最低输出电压下满功率输出的最大电流峰值；

即：Iin_pk = 1.414 * Pmax /（Vin_min*η)

公式中Pmax为输出的最大功率，允许的最小输入电压为Vin_min，η为效率下限值；

（11）-（12）当前采样的输入电流值大于等于计算的Iin_pk时，输入跳变识别标志Sd置1，当前拍电流环的环路输出结果减去输入电流变化量补偿值做为最终控制发波值，能立即抑制输入电压从高压跳变低压导致的电流尖峰；

（13）-(14) 将Piout结果作为当前拍PFC开关管的发波占空比值。

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