CN113394965B - 基于数字控制图腾柱pfc电压过零点畸变控制装置及方法 - Google Patents

基于数字控制图腾柱pfc电压过零点畸变控制装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于数字控制图腾柱PFC电压过零点畸变控制装置及方法。其中通过采样模块，然后经过模数转换单元，采集到输入输出电压信息以及电感上电流信息，通过电压外环控制单元和电流内环控制单元对产生的误差信号进行补偿调节，最后调节器输出经过PWM调制器产生门控信号来控制桥臂上开关管动作。本发明通过引入加方波的形式，使得在过零点处占空比不会突变，而是平缓过渡。通过采集输入电压过零点进行锁相环处理，采集输出电压，经过电压外环，输出作为电流内环控制单元的幅值参考，相位参考由锁相环环节输出给定，最终通过占空比控制实现对输入电流的功率因素校正。通过控制，明显改善了电流波形，降低了输入电流的THD。

Description

基于数字控制图腾柱PFC电压过零点畸变控制装置及方法
技术领域
本发明属于功率因素校正技术领域，具体涉及一种基于数字控制图腾柱PFC电压过零点畸变控制方法及装置。
背景技术
随着各种电力电子装置的广泛应用，给电网带来了谐波污染等问题。谐波污染不仅降低了电能的品质，甚至威胁电网的稳定和安全运行。为了解决谐波污染问题，使输入电流谐波满足要求，必须加入功率因素校正(Power Factor Correction，PFC)电路。传统的有源PFC中，在整流过程中存在较高的功率损耗。为了解决这个问题，无桥PFC逐渐成为研究的热点。
图腾柱无桥PFC是目前性能最好的PFC拓扑，元器件少，电路结构简单，可高频化，并具有较低的EMI(Electromagnetic Interference，电磁干扰)。但传统的Si MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金氧半场效晶体管)寄生体二极管的反向恢复时间长，反向恢复损耗严重，导致采用传统Si MOSFET的图腾柱无桥PFC电路只能工作在CRM(Critical Conduction Mode，临界导通模式)或DCM(DiscontinuousCurrent Mode，电感电流断续模式)模式下，限制了图腾柱PFC的实际应用。随着宽禁带半导体技术的发展，基于GaN HEMT的图腾柱PFC近年来又得到了广泛关注。由于图腾柱PFC需要采集电感电流，电压过零点，输出电压等信息，所以相对于模拟控制，图腾柱PFC更适合采用数字控制方式。数字控制具有控制灵活，设计成本低的优点，但会带来控制滞后的问题，导致实际控制时，主开关管和续流管会切换不及时，带来电流畸变的问题，影响输入电流THD(Total Harmonic Distortion，总谐波失真)。
发明内容
鉴于以上存在的技术问题，本发明用于提供一种基于数字控制图腾柱PFC电压过零点畸变控制装置及方法，用于解决现有技术中采用数字控制的图腾柱PFC过零点电流畸变问题。
为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：
本发明实施例的一方面提供了一种基于数字控制的图腾柱PFC过零点畸变的控制装置，包括图腾柱PFC主电路和数字控制模块，所述图腾柱PFC主电路包括交流输入电源、Boost升压电感、高频上管GaN HEMT开关管、高频下管GaN HEMT开关管、低频上管GaN HEMT开关管、低频下管GaN HEMT开关管、母线输出电容和输出负载，所述数字控制模块包括输出电压采集模块、输入电压采集模块、输入电感电流采集模块、电压环PI控制器、电流环PI控制器、SOGI锁相环模块、过零点检测模块、方波产生模块、占空比限幅模块、PWM输出模块、第一求和模块、第二求和模块、第三求和模块和第一乘法模块，输出电压采集模块用于采集输出电压；输入电压采集模块用于采集交流输入电压；输入电感电流采集模块用于采集电感电流iL；电压环PI控制器用于调节输出电压和参考电压的误差Verr；电流环PI控制器用于调节参考电流与电感电流的误差信息Ierr，输出占空比；SOGI锁相环模块用于生成电流内环的相位参考；过零点检测模块用于采集输入电压的过零点信息；方波产生模块用于生成一个频率为50Hz幅值为1的方波信号；占空比限幅模块用于限制最终的输出占空比的大小；PWM输出模块输出PWM信号，用于驱动桥臂动作的信号。
优选地，交流输入电源的正极与升压电感的一端相连；所述升压电感的另一端与高频上管GaN HEMT开关管的S端、高频下管GaN HEMT开关管的D端相连；交流输入电源的负极与低频上管GaN HEMT开关管的S端、低频下管GaN HEMT开关管的D端相连；所述母线输出电容的一端、输出负载的一端与高频上管GaN HEMT开关管的D端、低频上管GaNHEMT开关管的D端相连；所述输出电容的另一端、输出负载的另一端与高频下管GaNHEMT开关管的S端、低频下管GaNHEMT开关管的S端相连；过零点检测模块第一输入端连接输入电压采集模块第一输出端，PWM输出模块的第二输入端连接过零点检测模块的第一输出端，方波产生模块第一输入端连接输入电压采集模块第二输出端，SOGI锁相环模块第一输入端连接输入电压采集模块的第三输出端，sin函数模块第一输入端连接SOGI锁相环模块的第一输出端，第一乘法模块的第二输入端连接sin函数模块的第一输出端，第一乘法模块的第一输入端连接电压环PI控制器的第一输出端，电压环PI控制器的第一输入端连接第一求和模块的第一输出端，第一求和模块的第二输入端连接输出电压采集模块的第一输出端，第一求和模块的第一输入端用于连接输出母线参考电压Vref，第二求和模块的第一输入端连接第一乘法模块的第一输出端，第二求和模块的第二输入端连接电感电流采集模块的第一输出端，电流环PI控制器的第一输入端连接第二求和模块的第一输出端，第三求和模块的第一输入端连接电流环PI控制器的第一输出端，第三求和模块的第二输出端连接方波产生模块的第一输出端，占空比限幅模块的第一输入端连接第三求和模块的第一输出端，PWM输出模块的第一输入端连接占空比限幅模块的第一输出端，PWM输出模块的输出端用于输出驱动图腾柱PFCGaNHEMT桥臂的驱动信号。
本发明实施例的又一方面公开了一种基于数字控制的图腾柱PFC过零点畸变的控制方法，采用如上所述的基于数字控制的图腾柱PFC过零点畸变的控制装置，包括如下步骤：
S1，采集图腾柱PFC母线输出电压Vout，并将输出电压Vout与设定的输出电压Vref作差后获得电压误差信号Verr，然后再将得到的误差信号Verr经过一个电压外环PI控制器，最后输出量作为电流内环的幅值参考I*；
S2，采集图腾柱PFC输入电压Vin，输入电压经过SOGI锁相环，输出得到一个与输入电压Vin相位相同的角θ，然后经过sin函数模块，得到与输入电压同相位的一个正弦信号，此正弦信号作为电流内环的相位参考sinθ；
S3，通过采集图腾柱PFC输入电压Vin，当输入电压Vin过零点时输出过零点检测信号Vzero，并在输入电压Vin过零点处捕获过零点信号的翻转边沿，输出一个方波信号isqur；
S4，将幅值参考I*与相位参考sinθ相乘，得到电流内环的参考信号iref；
S5，采集图腾柱PFC输入电感电流iL，并将电流内环的参考信号iref与输入电感电流采样值iL进行比较得到电流误差信号Ierr；
S6，电流误差信号Ierr经过电流内环PI控制器输出占空比d1，并将方波信号isqur与输出占空比d1相加获得最终输出占空比d，根据占空比d输出作为驱动图腾柱PFCGaNHEMT的高频桥臂的驱动信号；
S7，将过零点检测模块输出Vzero，然后再经过PWM输出模块，作为控制驱动图腾柱PFCGaNHEMT的低频桥臂的驱动信号。
优选地，所述SOGI锁相环为二阶广义积分器锁相环，输入电压信号通过SOGI后产生两相正交信号，一路输出信号跟踪输入电压信号，另一路信号实现对输入电压信号的90°相角偏移。
优选地，方波信号为
Figure BDA0003176988530000041
优选地，电流内环的参考信号iref＝I*×sinθ。
采用本发明具有如下的有益效果：通过在电流环PI控制器的输出端加入一个方波信号，然后经过一个占空比限幅信号输出PWM信号来控制桥臂动作，使得在输入电压过零点处，不需要大的占空比跳变，从而抑制了在过零点处占空比跳变带来的扰动，从而大大改善了基于数字控制的图腾柱PFC在过零点处电流发生畸变的问题，提高了数字控制图腾柱PFC的功率因素以及减小了输入电流的THD。
附图说明
图1为图腾柱PFC主拓扑结构示意图。
图2为本发明实施例基于数字控制的图腾柱PFC过零点畸变的控制装置的结构示意图。
图3为本发明基于数字控制图腾柱PFC电压过零点电流畸变控制的流程图。
图4为传统控制控制方法控制的图腾柱PFC下输入电压电流波形和输出电压波形图。
图5为本发明提供的控制方法控制的图腾柱PFC下输入电压电流波形和输出电压波形图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，为图腾柱PFC主拓扑结构示意图，主要由两个高频开关管S1，S2和两个工频开关管S3，S4组成。图2为本发明实施例一种基于数字控制图腾柱PFC的电压过零点电流畸变控制装置的结构示意图，主要包括图腾柱PFC主电路和数字控制模块，图腾柱PFC主电路包括交流输入电源、Boost升压电感、高频上管GaN HEMT开关管、高频下管GaN HEMT开关管、低频上管GaN HEMT开关管、低频下管GaN HEMT开关管、母线输出电容和输出负载，所述数字控制模块包括输出电压采集模块、输入电压采集模块、输入电感电流采集模块、电压环PI控制器、电流环PI控制器、SOGI锁相环模块、过零点检测模块、方波产生模块、占空比限幅模块、PWM输出模块、第一求和模块、第二求和模块、第三求和模块和第一乘法。输出电压采集模块2，用于采集输出电压信息；输入电压采集模块16，用于采集交流输入电压的信息；输入电感电流采集模块12，用于采集电感电流iL的信息；电压环PI控制器4，用于调节输出电压和参考电压的误差Verr；电流环PI控制器7，用于调节参考电流与电感电流的误差信息Ierr，输出占空比；SOGI锁相环模块15，用于生成电流内环的相位参考；过零点检测模块14，用于采集输入电压的过零点信息；方波产生模块13，用于生成一个频率为50Hz幅值为1的方波信号；占空比限幅模块9，限制最终的输出占空比的大小；PWM输出模块10，输出PWM信号，用于驱动桥臂动作的信号；第一求和模块3、第二求和模块6、第三求和模块8和第一乘法模块5。
交流输入电源的正极与所述升压电感L的一端相连；升压电感L的另一端与高频上管GaN HEMT开关管S1的S端、高频下管GaN HEMT开关管S2的D端相连；交流输入电源的负极与低频上管GaN HEMT开关管S3的S端、低频下管GaN HEMT开关管S4的D端相连；输出电容1的一端、输出负载RL的一端与高频上管GaN HEMT开关管S1的D端、低频上管GaN HEMT开关管S3的D端相连；输出电容1的另一端、输出负载RL的另一端与高频下管GaN HEMT开关管S2的S端、低频下管GaN HEMT开关管S4的S端相连；过零点检测模块14第一输入端连接输入电压采集模块16第一输出端，PWM输出模块10的第二输入端连接过零点检测模块14的第一输出端，方波产生模块13第一输入端连接输入电压采集模块16第二输出端，SOGI锁相环模块15第一输入端连接输入电压采集模块16的第三输出端，sin函数模块11第一输入端连接SOGI锁相环模块15的第一输出端，第一乘法模块的第二输入端连接sin函数模块11的第一输出端，第一乘法模块5的第一输入端连接电压环PI控制器4的第一输出端，电压环PI控制器4的第一输入端连接第一求和模块3的第一输出端，第一求和模块3的第二输入端用于连接输出电压采集模块2的第一输出端，第一求和模块3的第一输入端用于连接输出母线参考电压Vref，第二求和模块6的第一输入端连接第一乘法模块5的第一输出端，第二求和模块6的第二输入端连接电感电流采集模块12的第一输出端，电流环PI控制器7的第一输入端连接第二求和模块6的第一输出端，第三求和模块8的第一输入端连接电流环PI控制器7的第一输出端，第三求和模块8的第二输出端连接方波产生模块13的第一输出端，占空比限幅模块9的第一输入端连接第三求和模块8的第一输出端，PWM输出模块10的第一输入端连接占空比限幅模块9的第一输出端，PWM输出模块10的输出端用于输出驱动图腾柱PFC GaN HEMT桥臂的驱动信号。
本发明实施例的基于数字控制的图腾柱PFC过零点畸变的控制装置，通过采样模块，然后经过模数转换单元，采集到输入输出电压信息以及电感上电流信息，通过电压外环控制单元和电流内环控制单元对产生的误差信号进行补偿调节，最后调节器输出经过PWM调制器产生门控信号来控制桥臂上开关管动作。本发明通过引入加方波的形式，使得在过零点处占空比不会突变，而是平缓过渡。通过采集输入电压过零点进行锁相环处理，采集输出电压，经过电压外环，输出作为电流内环控制单元的幅值参考，相位参考由锁相环环节输出给定，最终通过占空比控制实现对输入电流的功率因素校正。通过控制，明显改善了电流波形，降低了输入电流的THD。
采用上述基于数字控制图腾柱PFC的电压过零点电流畸变控制装置，本发明实施例还提供了一种基于数字控制图腾柱PFC的电压过零点电流畸变方法，包括如下步骤，如图3所示：
S1，检测输出电压状态，调节电压外环。采集图腾柱PFC母线输出电压Vout，并将输出电压Vout与设定的输出电压Vref作差后获得电压误差信号Verr，然后再将得到的误差信号Verr经过一个电压外环PI控制器，最后输出量作为电流内环的幅值参考I*；
S2，检测输入电压状态，生成输入电压相位角信息，如图2所示。采集图腾柱PFC输入电压Vin，输入电压经过SOGI锁相环，输出得到一个与输入电压Vin相位相同的角θ，然后经过一个构造的sin函数，得到一个幅值为1，与输入电压同相位的一个正弦信号，此正弦信号作为电流内环的相位参考sinθ；
S3，检测输入电压状态，判断过零点信息，生成方波信号，通过采集图腾柱PFC输入电压Vin，当输入电压Vin过零点时输出过零点检测信号，并在输入电压Vin过零点处捕获过零点信号的翻转边沿，输出为一个幅值为1，频率为50Hz的方波信号isqur；
S4，得到电流内环参考信号。将幅值参考I*与相位参考sinθ相乘，得到电流内环的参考信号；
S5，检测电感电流状态，得到电流误差信号,。采集图腾柱PFC输入电感电流iL，并将得到的输入电流的参考值iref与输入电感电流采样值iL进行比较得到电流误差信号Ierr；
S6，得到控制图腾柱PFC GaN HEMT的高频桥臂的驱动信号。电流误差信号Ierr经过电流内环PI控制器输出占空比d1，并将方波信号与输出占空比d1相加然后经过占空比限幅模块得到最终输出PWM信号占空比d，根据占空比d输出作为驱动图腾柱PFC GaN HEMT的高频桥臂的驱动信号S1、S2。
S7，得到控制图腾柱PFC GaN HEMT的低频桥臂的驱动信号,。将过零点检测模块输出Vzero，然后再经过PWM输出模块，作为控制驱动图腾柱PFC GaNHEMT的低频桥臂的驱动信号S3、S4。
为验证本发明所述控制方法的控制性能，先将本发明应用到图腾柱PFC电路中，使用本发明得到的图腾柱PFC输入电压电流波形如图5所示，图中Vac代表的是输入电压波形，Iac代表的是输入电流波形，Vo表示的是母线输出电压波形。对比图传统数字控制图腾柱PFC控制方法得到的输入电压电流波形如图4所示，图中Vac代表的是输入电压波形，Iac代表的是输入电流波形，Vo表示的是母线输出电压波形，可见应用本发明可以得到的电流波形在输入电压过零点处没有明显的电流畸变问题，能够提高变换器的PF值，降低输入电流THD，非常适合目前对高功率因素高性能的变换器使用。
应当理解，本文所述的示例性实施例是说明性的而非限制性的。尽管结合附图描述了本发明的一个或多个实施例，本领域普通技术人员应当理解，在不脱离通过所附权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以做出各种形式和细节的改变。

Claims (5)

1.一种基于数字控制的图腾柱PFC过零点畸变的控制装置，其特征在于，包括图腾柱PFC主电路和数字控制模块，所述图腾柱PFC主电路包括交流输入电源(17)、Boost升压电感(18)、高频上管GaN HEMT开关管(S1)、高频下管GaN HEMT开关管(S2)、低频上管GaN HEMT开关管(S3)、低频下管GaN HEMT开关管(S4)、母线输出电容(1)和输出负载(RL)，所述数字控制模块包括输出电压采集模块(2)、输入电压采集模块(16)、输入电感电流采集模块(12)、电压环PI控制器(4)、电流环PI控制器(7)、SOGI锁相环模块(15)、过零点检测模块(14)、方波产生模块(13)、占空比限幅模块(9)、PWM输出模块(10)、第一求和模块(3)、第二求和模块(6)、第三求和模块(8)和第一乘法模块(5)，输出电压采集模块(2)用于采集输出电压；输入电压采集模块(16)用于采集交流输入电压；输入电感电流采集模块(12)用于采集电感电流iL；电压环PI控制器(4)用于调节输出电压和参考电压的误差Verr；电流环PI控制器(7)用于调节参考电流与电感电流的误差信息Ierr，输出占空比；SOGI锁相环模块(15)用于生成电流内环的相位参考；过零点检测模块(14)用于采集输入电压的过零点信息；方波产生模块(13)用于生成一个频率为50Hz幅值为1的方波信号；占空比限幅模块(9)用于限制最终的输出占空比的大小；PWM输出模块(10)输出PWM信号，用于驱动桥臂动作的信号；交流输入电源的正极与升压电感(L)的一端相连；所述升压电感(L)的另一端与高频上管GaN HEMT开关管(S1)的S端、高频下管GaN HEMT开关管(S2)的D端相连；交流输入电源的负极与低频上管GaN HEMT开关管(S3)的S端、低频下管GaN HEMT开关管(S4)的D端相连；所述母线输出电容(1)的一端、输出负载(RL)的一端与高频上管GaN HEMT开关管(S1)的D端、低频上管GaNHEMT开关管(S2)的D端相连；所述输出电容(1)的另一端、输出负载(RL)的另一端与高频下管GaN HEMT开关管(S3) 的S端、低频下管GaN HEMT开关管(S4)的S端相连；过零点检测模块(14)第一输入端连接输入电压采集模块(16)第一输出端，PWM输出模块(10)的第二输入端连接过零点检测模块(14)的第一输出端，方波产生模块(13)第一输入端连接输入电压采集模块(16)第二输出端，SOGI锁相环模块(15)第一输入端连接输入电压采集模块(16)的第三输出端，sin函数模块(11)第一输入端连接SOGI锁相环模块(15)的第一输出端，第一乘法模块的第二输入端连接sin函数模块(11)的第一输出端，第一乘法模块(5)的第一输入端连接电压环PI控制器(4)的第一输出端，电压环PI控制器(4)的第一输入端连接第一求和模块(3)的第一输出端，第一求和模块(3)的第二输入端连接输出电压采集模块(2)的第一输出端，第一求和模块(3)的第一输入端用于连接输出母线参考电压Vref，第二求和模块(6)的第一输入端连接第一乘法模块(5)的第一输出端，第二求和模块(6)的第二输入端连接电感电流采集模块(12)的第一输出端，电流环PI控制器(7)的第一输入端连接第二求和模块(6)的第一输出端，第三求和模块(8)的第一输入端连接电流环PI控制器(7)的第一输出端，第三求和模块(8)的第二输出端连接方波产生模块(13)的第一输出端，占空比限幅模块(9)的第一输入端连接第三求和模块(8)的第一输出端，PWM输出模块(10)的第一输入端连接占空比限幅模块(9)的第一输出端，PWM输出模块(10)的输出端用于输出驱动图腾柱PFC GaNHEMT桥臂的驱动信号，
通过采样模块，然后经过模数转换单元，采集到输入输出电压信息以及电感上电流信息，通过电压外环控制单元和电流内环控制单元对产生的误差信号进行补偿调节，最后调节器输出经过PWM调制器产生门控信号来控制桥臂上开关管动作；通过引入加方波的形式，使得在过零点处占空比平缓过渡；通过采集输入电压过零点进行锁相环处理，采集输出电压，经过电压外环，输出作为电流内环控制单元的幅值参考，相位参考由锁相环环节输出给定，最终通过占空比控制实现对输入电流的功率因素校正。
2.一种基于数字控制的图腾柱PFC过零点畸变的控制方法，采用如权利要求1所述的基于数字控制的图腾柱PFC过零点畸变的控制装置，其特征在于，包括如下步骤：
S1，采集图腾柱PFC母线输出电压Vout，并将输出电压Vout与设定的输出电压Vref作差后获得电压误差信号Verr，然后再将得到的误差信号Verr经过一个电压外环PI控制器，最后输出量作为电流内环的幅值参考I*；
S2，采集图腾柱PFC输入电压Vin，输入电压经过SOGI锁相环，输出得到一个与输入电压Vin相位相同的角θ，然后经过sin函数模块，得到与输入电压同相位的一个正弦信号，此正弦信号作为电流内环的相位参考sinθ；
S3，通过采集图腾柱PFC输入电压Vin，当输入电压Vin过零点时输出过零点检测信号Vzero，并在输入电压Vin过零点处捕获过零点信号的翻转边沿，输出一个方波信号isqur；
S4，将幅值参考I*与相位参考sinθ相乘，得到电流内环的参考信号iref；
S5，采集图腾柱PFC输入电感电流iL，并将电流内环的参考信号iref与输入电感电流采样值iL进行比较得到电流误差信号Ierr；
S6，电流误差信号Ierr经过电流内环PI控制器输出占空比d1，并将方波信号isqur与输出占空比d1相加获得最终输出占空比d，根据占空比d输出作为驱动图腾柱PFC GaN HEMT的高频桥臂的驱动信号；
S7，将过零点检测模块输出Vzero，然后再经过PWM输出模块，作为控制驱动图腾柱PFCGaN HEMT的低频桥臂的驱动信号。
3.如权利要求2所述的基于数字控制的图腾柱PFC过零点畸变的控制方法，其特征在于，所述SOGI锁相环为二阶广义积分器锁相环，输入电压信号通过SOGI后产生两相正交信号，一路输出信号跟踪输入电压信号，另一路信号实现对输入电压信号的90°相角偏移。
4.如权利要求2所述的基于数字控制的图腾柱PFC过零点畸变的控制方法，其特征在于，方波信号为
Figure FDA0003797756620000041
5.根据权利要求2-4任一所述的基于数字控制的图腾柱PFC过零点畸变的控制方法，其特征在于，电流内环的参考信号iref＝I*×sinθ。
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