CN113315391A - 一种数字式pfc电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种数字式PFC电路，包括：交流电网、LC滤波器和PFC电路；其中交流电网与LC滤波器电性连接；LC滤波器与PFC电路电气连接；其中PFC电路包括开关管器件和电感；所述LC滤波器的截止频率为开关管器件开关频率的1/10；PFC电路的电感平均电流通过控制器控制，由采样的PFC电路的母线电压、采样的交流电网侧电压、采样的PFC电路的电感峰值电流共同决定。本发明实现了在交流滤波电感感量较小的条件下，仍然可以通过优化算法来降低THDi，使其满足入网要求。

Description

一种数字式PFC电路
技术领域
本发明涉及电路功率因素校正领域，尤其涉及一种数字式PFC电路。
背景技术
PFC(Power Factor Correction)即功率因数校正，应用于功率因数较高的 AC/DC变换电路中。
常规方案中，交流滤波电感感量按照电流纹波20％设计，满载时电感电流基本工作在连续状态，通过峰值电流采样或者平均电流采样，均可以实现较小的THDi(TotalHarmonic Current Distortion，定义为总谐波电流有效值Ih与基波电流有效值之比)。但是电感量较大时导致系统的成本、体积、重量均受到限制，在一些特殊应用场合不具备优势。
如果按照更大的电流纹波设计交流滤波电感感量，比如50％。基于硬件角度分析，高频THDi明显增大。基于软件角度分析，满载时电感电流会交替工作在连续状态和断续状态。如果采用峰值电流采样，断续状态下峰值电流跟平均电流不成正比，电流会畸变，低次THDi明显增加；如果采用平均电流采样，硬件电流采样电路的带宽必须设计较低，采样延时大，电流环的带宽设计受到限制，同样低次THDi会增大。
发明内容
有鉴于此，在交流滤波电感感量设计较小时，为了使其即能够应用于特殊场合，又使得最终THDi较小，本发明提供了一种数字式PFC电路，该电路在硬件结构方面，设计LC滤波器的截止频率，使其为PFC电路开关器件频率的1/10，有效抑制高频次THDi；在软件方面，通过母线电压、采样的交流电网侧电压、采样的PFC电路的电感峰值电流共同计算出PFC电路的电感的平均电流，有效减小低频次THDi，从而使得即使交流滤波电感感量设计较小，也能够达到跟常规PFC电路一样的控制效果。
本发明提供的一种数字式PFC电路，具体包括以下：
交流电网、LC滤波器和PFC电路；其中交流电网与LC滤波器电性连接； LC滤波器与PFC电路电性连接；其中PFC电路包括开关管器件和电感；
所述LC滤波器的截止频率为开关管器件开关频率的1/10；
PFC电路的电感平均电流通过控制器控制，由采样的PFC电路的母线电压、采样的交流电网侧电压、采样的PFC电路的电感峰值电流共同决定。
进一步地，所述PFC电路为不控整流桥+Boost电路或者无桥PFC电路。
PFC电路的电感平均电流如下式所示：
Figure RE-GDA0003170758460000021
式中，Iaver为PFC电路的电感平均电流；tr为电感电流上升时间，Ts为开关管器件的开关周期，IInit为开关管器件开通瞬间的初始电流值，ISamp为PFC电路的电感采样的峰值电流值，Ubus为采样的PFC电路的母线电压，Uac为采样的交流电网侧电压。
本发明提供的有益效果是：在交流滤波电感感量较小的条件下，仍然可以通过优化算法来降低THDi，使其满足入网要求。
附图说明
图1是本发明一种数字式PFC电路的区间切换示意图；
图2是电感Lac上的电流与电网输入电流的相对波形图；
图3是本发明实施例中电感Lac电流波形；
图4是本发明控制器对开关管器件的控制框图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
一种数字式PFC电路，包括以下：
交流电网、LC滤波器和PFC电路；其中交流电网与LC滤波器电性连接； LC滤波器与PFC电路电性连接；其中PFC电路包括开关管器件和电感；
所述LC滤波器的截止频率为开关管器件开关频率的1/10；
PFC电路的电感平均电流通过控制器控制，由采样的PFC电路的母线电压、采样的交流电网侧电压、采样的PFC电路的电感峰值电流共同决定。
所述PFC电路为不控整流桥+Boost电路或者无桥PFC电路。
请参考图1，图1是本发明实施例的电路原理图；
本发明的PFC电路以不控整流桥+Boost电路为例，其中LC滤波器可以从输入EMI滤波器中衍生得到。
图1中，交流电网两侧分别与LC滤波器电感Lf的一端和LC滤波器电容Cf的一端电性连接；电感Lf的另一端与二极管D1的正极电性连接；二极管D1的负极与二极管D3的负极电性连接；二极管D3的负极与PFC电路的电感Lac的一端电性连接；Lac的另一端与PFC电路的开关管器件Q的源极和二极管D的正极电性连接；二极管D的负极与电容Cbus的一端电性连接；电容Cbus的另一端与二极管D2和二极管D4的正极、开关管器件Q的漏极电性连接；二极管D2的负极与二极管D1的正极电性连接；二极管D4的负极与二极管D3的正极电性连接；开关管器件Q的栅极受控制器控制；控制器未视出；
本发明中，从硬件结构上，增加LC滤波器，将LC滤波器的截止频率为开关管器件开关频率的1/10，这样可以有效衰减由于开关管器件导通关断的开关纹波；请参考图2，图2是电感Lac上的电流与电网输入电流的相对波形图；图 2中，较粗的曲线未滤波电感Lac的电流；较细的曲线为电网输入电流；从图2 中可以明显开出，将LC滤波器的截止频率与开关管器件的开关频率相对关系设定之后，高频词的THDi明显得到了抑制；
另一方面，对于电感Lac，无论采样峰值电流或者平均电流，均存在弊端，本发明通过采样峰值电流以及交流电压、BUS电压等拟合出平均电流，然后采用采用常规的平均电流控制算法，可最大程度减小低次THDi，达到跟常规PFC电路一样的控制效果。
请参考图3，图3是本发明实施例中电感Lac电流波形；电感Lac电流波形包括断续模式下的电流波形和连续模式下的电流波形。其中tr为电感电流上升时间，tf为电感电流下降时间，Ts为开关周期，IInit为MOS开通瞬间的初始电流值， ISamp为采样的峰值电流值，Ubus为采样的母线电压，Uac为采样的交流侧电压。
电感电流上升过程中电流变化量满足以下关系：
Figure RE-GDA0003170758460000041
电感电流下降过程中电流变化量满足以下关系：
Figure RE-GDA0003170758460000042
单周期内电感电流的变化量近似为0，由公式(3)和公式(4)计算得到：
Figure RE-GDA0003170758460000051
MOS开通时刻电感上初始电流为：
IInit＝Isamp-ΔIL (4)
单个周波内电感电流的面积为：
Figure RE-GDA0003170758460000052
结合公式(5)(6)(7)得到：
Figure RE-GDA0003170758460000053
故平均电流为：
Figure RE-GDA0003170758460000054
从公式(7)中看出，Ubus、Uac、ISamp均为实时AD采样值，Ts和Lac为恒定参数，tr由闭环计算得到，故可根据公式(7)实时计算出电感电流的平均值。
采用此公式计算得到的平均电流作为电流环的反馈量，不存在滞后问题，还能够真实反映出当前的平均电流。
请参考图4，图4是本发明控制器对开关管器件的控制框图；
1)输出电压作为外环控制量，电压环的输出作为交流电流有效值给定Iref；
2)通过交流电压提取电网角度sinwt；
3)以上两步的结果相乘得到瞬时电流给定值Ir；
4)根据公式(7)虚拟出电流平均值Iaver，此值为电流环的反馈量；
5)电流环的输出与交流电压前馈分量叠加得到调制比；
6)调制比经过载波调制得到pwm信号，从而控制开关管。
以2kW的Boost+PFC电路为例，分别按照电感电流纹波为20％和50％设计电感量，并分别采用峰值电流采样、平均电流采样、以及本发明设计算法实现控制。请参考表1；表1是采用不同方案控制下的THDi结果；
表1不同方案的THDi结果
Figure RE-GDA0003170758460000061
通过表1明显可知，本发明可同时适用于两种不同的电感量，且THDi均在合理范围内。
本发明的有益效果是：在交流滤波电感感量较小的条件下，仍然可以通过优化算法来降低THDi，使其满足入网要求。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种数字式PFC电路，其特征在于：包括：交流电网、LC滤波器和PFC电路；其中交流电网与LC滤波器电性连接；LC滤波器与PFC电路电性连接；其中PFC电路包括开关管器件和电感；
所述LC滤波器的截止频率为开关管器件开关频率的1/10；
PFC电路的电感平均电流通过控制器控制，由采样的PFC电路的母线电压、采样的交流电网侧电压、采样的PFC电路的电感峰值电流共同决定。
2.如权利要求1所述的一种数字式PFC电路，其特征在于：所述PFC电路为不控整流桥+Boost电路或者无桥PFC电路。
3.如权利要求1所述的一种数字式PFC电路，其特征在于：PFC电路的电感平均电流如下式所示：
Figure RE-RE-FDA0003170758450000011
式中，Iaver为PFC电路的电感平均电流；tr为电感电流上升时间，Ts为开关管器件的开关周期，IInit为开关管器件开通瞬间的初始电流值，ISamp为PFC电路的电感采样的峰值电流值，Ubus为采样的PFC电路的母线电压，Uac为采样的交流电网侧电压。
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