CN114244108A - 一种带宽动态调节Boost-PFC控制电路及其控制方法 - Google Patents

一种带宽动态调节Boost-PFC控制电路及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种带宽动态调节Boost‑PFC控制电路及其控制方法，属于电力电子变换器技术领域。本发明的采样模块用于采集AC交流输入电压、第一Boost支路和第二Boost支路的MOS管电流和输出电压；控制模块用于根据采样模块的信号分别计算不同支路的MOS管PWM信号。均流模块为独立运行的电流环路可实现均流效果。动态调节模块用于实现PFC稳态运行和瞬态运行的电压环控制器切换，缓解了稳态性能与瞬态性能的矛盾。PWM调制模块通过在同一基准下实现相移180°的PWM信号调制。本发明的动态调节控制模块利用动态改变电压环控制器的PI参数技术，显著减少PFC变换器的过冲和调节时间，结构简单且易于软件实现，复杂度低。

Description

一种带宽动态调节Boost-PFC控制电路及其控制方法
技术领域
本发明涉及电力电子变换器技术领域，尤其涉及一种带宽动态调节Boost-PFC控制电路及其控制方法。
背景技术
随着经济和科学技术的发展，大量电子设备的出现会使得电网质量出现畸变，为了保证可靠的电网质量，PFC整流技术在电能变换中承担重要角色。因此，开发高效、高可靠性、高功率密度的PFC整流器，具有很大的现实意义。
传统的PFC变换器，由于带宽低，存在动态响应差的问题，影响系统的可靠性。其中传统的PFC变换器的电压环存在二倍工频的纹波，该纹波在环路中需要被衰减，否则输入电流会引入三次谐波。因此，电压环路的带宽很低，随着功率等级的提高，PFC变换器动态响应差的问题趋于严重，PFC变换器作为电网与DC/DC电源的中间级，承担着传输高质量电能的重要角色，在对AC/DC电源可靠性要求更高的场合下，需要一种高效率，高可靠性的PFC变换器。
近年来，针对如何改善PFC变换器动态性能的问题，国内外广大学者对此进行了研究，提出了谐波注入法，通过在电压环注入与输出电压二次谐波大小相等方向相反的谐波，消除了该纹波造成的三次谐波畸变，因此，电压环的带宽可以不受二倍工频的纹波的影响，PFC变换器的动态性能也变得更好。然而，谐波注入需要对产生谐波的精准检测，所用的检测和生成算法需要高性能的芯片，PFC变换器的成本会增加，而且一旦计算出现偏差，系统补偿效果会变差。
发明内容
1.发明要解决的技术问题
针对上述问题，本发明提供了一种带宽动态调节Boost-PFC控制电路及其控制方法，本发明能够克服传统PFC变换器带宽低导致的动态响应慢、过冲高的缺点，且控制结构简单，效果显著。
2.技术方案
为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
本发明的一种带宽动态调节Boost-PFC控制电路，包括PFC主电路、采样模块、控制模块、PWM模块、均流模块、前馈模块和动态调节模块，所述PFC主电路包括并联连接的第一Boost支路和第二Boost支路；所述动态调节模块、前馈模块连接所述采样模块，所述控制模块分别连接前馈模块、采样模块、动态调节模块和均流模块，所述PWM模块分别连接第一Boost支路、第二Boost支路和均流模块，所述均流模块分别连接采样模块和所述PWM模块。
更进一步地，所述均流模块包括第一电流误差计算单元、第二电流误差计算单元、第一电流PI控制器单元和第二电流PI控制器单元；所述电流误差计算单元分别与第一Boost支路、第二Boost支路的MOS管电流端和对应的控制器单元连接，所述第一电流PI控制器单元和第二电流PI控制器单元分别与所述PWM模块连接；所述电流误差计算单元分别根据参考输入电流和第一Boost支路、第二Boost支路的MOS管电流计算输出电流误差信号至控制器单元；所述控制器单元根据电流误差信号输出控制信号至所述PWM模块。
更进一步地，所述控制模块包括电压误差计算单元、电压环PI控制器单元、乘法器单元；所述电压误差计算单元分别连接采样模块和电压环PI控制器单元，电压环PI控制器单元连接乘法器单元；控制模块根据采集模块的输出电压和基准电压通过电压误差计算单元计算电压误差信号输出至电压环PI控制器单元；所述电压环PI控制器单元根据电压误差信号输出控制信号到乘法器单元，所述乘法器单元生成参考输入电流。
更进一步地，所述采样模块包括AC输入电压采样单元、第一Boost支路和第二Boost支路的MOS管采样单元和输出电压采样单元；所述AC输入电压采样单元用于对AC输入电压进行采样，所述MOS管采样单元对第一Boost支路和第二Boost支路的MOS管电流分别进行采样；所述输出电压采样单元用于对输出电压进行采样；输出电压采样单元分别与电压误差计算单元、动态调节模块相连接，所述AC输入电压采样单元与乘法器单元相连接。
更进一步地，所述前馈模块包括电压前馈环计算器，电压前馈环计算器根据AC输入电压采样单元采样后的输入电压，计算输入电压平方的倒数值输出至乘法器单元。
更进一步地，所述PWM模块包括第一PWM调制单元和第二PWM调制单元，第一PWM调制单元分别与第一Boost支路的MOS管输入端、第一电流PI控制器单元输出端相连接；第二PWM调制单元分别与第二Boost支路的MOS管输入端、第二电流PI控制器单元输出端相连接；所述第一PWM调制单元用于将第一电流PI控制器的输出控制信号转化为第一占空比信号；所述第二PWM调制单元用于将第二电流PI控制器的输出控制信号转化为第二占空比信号。
更进一步地，所述第一PWM调制单元和第二PWM调制单元的调制基准相差180°。
更进一步地，所述动态调节模块包括状态检测器、输出电压检测器和动态调节控制器；状态检测器用于检测PFC主电路的运行状态后输出至动态调节控制器；输出电压检测器用于将输出电压输出至动态调节控制器；所述动态调节控制器用于输出不同的PI参数至电压环PI控制器单元。
更进一步地，所述PFC主电路包括整流桥，功率开关管S1、S2，电感L1、L2，电容C1、C2，二极管D1和D2，旁路二极管D3；整流桥一输出端与电感L1、L2的一端、旁路二极管D3的阳极以及电容C1的一端连接，整流桥另一输出端与功率MOS开关管S1和S2的源极、电容C1的另一端、电容C2的一端连接；电感L1和L2的另一端分别与二极管D1、D2阳极相连，二极管D1、D2和D3的阴极分别与电容C2的正极端接于节点A，电容C1的另一端接于节点B，节点A和B形成输出端。
本发明的一种带宽动态调节Boost-PFC控制电路的控制方法，控制模块根据AC源的输入电压、第一Boost支路MOS管电流、第二Boost支路MOS管电流和输出电压计算得到的控制信号输出至均流模块；均流模块根据参考输入电流和第一Boost支路MOS管电流、第二Boost支路MOS管电流计算得到电流误差信号，并根据所述电流误差信号输出控制信号至PWM模块；所述PWM模块根据调节信号对控制信号移相调节后输出第一驱动信号至第一Boost支路，并输出第二驱动信号至第二Boost支路；动态调节模块根据PFC主电路状态和输出电压计算得到不同的PI参数输出至控制模块；所述采样模块采样信号输出至控制模块、前馈模块和均流模块，所述前馈模块用于输出前馈信号至控制模块。
3.有益效果
采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：
本发明的一种带宽动态调节Boost-PFC控制电路，其采样模块采集AC交流输入电压、第一Boost支路和第二Boost支路的MOS管电流和输出电压；控制模块根据采样模块的信号分别计算不同支路的MOS管PWM信号。均流模块为独立运行的电流环路可实现均流效果。动态调节模块用于实现PFC稳态运行和瞬态运行的电压环控制器切换，缓解了稳态性能与瞬态性能的矛盾。PWM调制模块通过在同一基准下实现相移180°的PWM信号调制，可有效改善PFC电路动态响应过冲高，调节慢的问题。本发明还能解决不同支路之间存在电流不均衡的问题，控制结构简单，效果显著。
附图说明
图1是本发明的主电路和控制电路关系框图；
图2是本发明主电路的电路结构示意图；
图3是本发明的主电路控制回路结构示意图；
图4是本发明的动态调节控制流程示意图；
图5是本发明的相移180°PWM调制示意图；
图6是本发明的第一Boost支路和第二Boost支路的电感电流仿真示意图；
图7是本发明的负载跳变下未采用动态调节控制的仿真示意图；
图8是本发明的负载跳变下采用动态调节控制的仿真示意图。
具体实施方式
为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。
实施例1
参看图1，本实施例的一种带宽动态调节Boost-PFC控制电路，包括PFC主电路、采样模块、前馈模块、控制模块、PWM模块、均流模块和动态调节模块。PFC主电路包括并联连接的第一Boost支路和第二Boost支路，控制模块分别连接采样模块、前馈模块、均流模块和动态调节模块，PWM模块分别连接第一Boost支路、第二Boost支路和控制模块，均流模块分别连接采样模块、控制模块和PWM模块，动态调节模块分别连接采样模块和控制模块。
图2为本实施例的Boost-PFC电路的主电路的示意图。本实施例的PFC主电路包括整流桥，功率开关管S1、S2，电感L1、L2，电容C1、C2，二极管D1和D2，旁路二极管D3。整流桥一输出端与电感L1、L2的一端、旁路二极管D3的阳极以及电容C1的一端连接，整流桥另一输出端与功率MOS开关管S1和S2的源极、电容C1的另一端、电容C2的负极连接。电感L1和L2的另一端分别与二极管D1、D2阳极相连，二极管D1、D2和D3的阴极分别与电容C2的正极端接于节点A，电容C1的另一端接于节点B，节点A和B形成输出端。
本实施例的PFC主电路采用差分运放电路对交流源AC电压进行采样，该方式抑制噪声效果强，采样效果好，且运放具有高输入阻抗和低输出阻抗的特性，采样不易失真，且具有隔离效果。最后再经过直流偏置电路，最终的采样电压为偏置的正弦波信号。本实施例的主电路所采用的电感电流平均值采样电路为通过采用高频CT互感器将MOS管电流转化为电压信号，该方法损耗小，效率高，抗干扰效果强，最终的电压信号通过控制模块进行平均电流采样，从而不需使用三角波补偿电路进行补偿，可有效降低PFC变换器的成本。本实施例的主电路所采用的输出电压采样电路通过电阻分压的方式输出电压信号，该方法结构简单，效果良好。
图3为本实施例的主电路所采用的控制电路框图，其采用电压环控制输出电压，采用二个独立电流控制主电路二个支路的电流，即电压电流双闭环控制。基准电压Uref和输出电压U0采样值经差值运算得到误差电压信号Ue，误差电压信号Ue经过电压环控制器得到控制信号，再经过乘法器与电压Uin采样值及其前馈信号(本实施例为输入电压Uin有效值平方的倒数(1/Urms 2)相乘，得到电流环的基准Iref。将第一Boost支路和第二Boost支路的电感电流反馈信号IL1和IL2反馈信号与1/2基准电流Iref分别经过第一差值运算和第二差值运算单元计算得到二路不同的误差信号，再分别输入到第一PI调节器和第二PI调节器进行调节后与高频三角波比较，产生高频脉冲信号，最终输出功率开关管S1，S2的驱动信号，其中高频三角波相位相差180°。因此，最终输出功率MOS开关管S1，S2的驱动信号相差180°，且第一Boost支路和第二Boost支路通过独立的电流环路控制实现相同的基准值，保证了第一Boost支路和第二Boost支路能实现均流效果，保证了PFC变换器的可靠性。
图3中动态调节控制回路为本实施例改善PFC动态性能所采用的控制回路框图，其独立于主电路控制之外，采集输出电压信号并与状态检测器的输出相与，若状态检测器检测PFC的运行状态为正常运行，则状态检测器输出“1”逻辑值。若检测采集的输出电压信号不在规定的电压阈值内，输出“1”逻辑值，则状态检测器和电压检测器相与输出“1”逻辑值，触发动态调节器工作。一旦动态调节器工作，则输出相应的PI参数。动态调节器中存在二组不同的PI参数，一组PFC带宽低(本实施例中为20Hz)时的PI参数，该参数也是控制系统默认稳态运行时的PI参数，保证了输入电流参考值不引入三次谐波发生畸变。另一组是PFC带宽高(本实施例中为1000Hz)时的PI参数，带宽的增加使得PFC动态响应变快，一旦PFC对输出电压的变化做出快速响应，输出电压的过冲和调节时间都会变低，提高了PFC的动态响应能力，保证了PFC变换器的可靠性。
图4为动态调节模块的具体工作流程图。图4中可以看出，状态检测器对PFC变换器的运行状态进行检测，若PFC正常运行的情况下，对输出电压进行检测，若在规定范围内，则电压环调节器的PI参数设置为带宽低的数值。若不在规定范围内，则PFC进入瞬态运行，则电压环调节器的PI参数设置为带宽高的数值。该方法能改善PFC稳态性能和动态性能矛盾的特点，即能在稳态时保持高PF值的特征，也能在瞬态时进行快速动态响应能力，大大增加了PFC变换器的可靠性。
图5为实现二路相位180°的PWM调制的实例，在同一基准高频三角载波下，采用二种不同的极性调制出相差180°的PWM信号(本实施例为60Khz)。图3中第一电流调节器PI1和第二电流调节器PI2的调节信号共用一个高频三角载波(本实施例为60Khz)，采用不同的调制的极性进行PWM调制，其中第一Boost支路PWM信号的调制采用调制极性高的模式，当第一电流调节器的输出信号大于高频三角波时，PWM输出信号为高电平，反之为低电平。第二Boost支路PWM信号的调制采用极性低的模式，当第二电流调节器的输出信号小于高频三角波时，PWM输出信号为高电平，反之为低电平。与上述不同基准调制相比，在同一基准下调制的方法，更能节省资源，降低成本。且在同一基准调制模式下，第一Boost支路Mos管电流和第二Boost支路Mos管电流采样时刻相差180°，第一电流调节器和第二电流调节器的运行频率为120Khz。
图6为本实施例主电路的第一Boost支路电感电流和第二Boost支路电感电流的实验波形，实验参数如下：输入电压230V/50HZ，输出电压380V，满载输出功率3600W。图6中可以看出两个电感电流IL1和IL2的大小相等，验证了控制回路中的均流模块的有效性，同时二路电流相位相差180°，交错并联使得输入电流的纹波大大减少，从而主电路电感值也就越小，电感体积减小了，增加了PFC变换器的的功率密度。
图7和图8为采用动态调节器控制下前后的实验波形对比，图中可以看出，当控制环路未增加所述动态调节器时，负载从700W跳变到1400W的动态响应中输出电压的过冲高，调节时间长，可靠性差。当控制环路增加所述动态调节器时，负载从700W跳变到1400W的动态响应中输出电压的过冲低，调节时间短，可靠性高。验证了所述动态调节器的优良效果。
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种带宽动态调节Boost-PFC控制电路，其特征在于：包括PFC主电路、采样模块、控制模块、PWM模块、均流模块、前馈模块和动态调节模块，所述PFC主电路包括并联连接的第一Boost支路和第二Boost支路；所述动态调节模块、前馈模块连接所述采样模块，所述控制模块分别连接前馈模块、采样模块、动态调节模块和均流模块，所述PWM模块分别连接第一Boost支路、第二Boost支路和均流模块，所述均流模块分别连接所述采样模块和所述PWM模块。
2.根据权利要求1所述的一种带宽动态调节Boost-PFC控制电路，其特征在于：所述均流模块包括第一电流误差计算单元、第二电流误差计算单元、第一电流PI控制器单元和第二电流PI控制器单元；所述电流误差计算单元分别与第一Boost支路、第二Boost支路的MOS管电流端和对应的控制器单元连接，所述第一电流PI控制器单元和第二电流PI控制器单元分别与所述PWM模块连接；所述电流误差计算单元分别根据参考输入电流和第一Boost支路、第二Boost支路的MOS管电流计算输出电流误差信号至控制器单元；所述控制器单元根据电流误差信号输出控制信号至所述PWM模块。
3.根据权利要求2所述的一种带宽动态调节Boost-PFC控制电路，其特征在于：所述控制模块包括电压误差计算单元、电压环PI控制器单元、乘法器单元；所述电压误差计算单元分别连接采样模块和电压环PI控制器单元，电压环PI控制器单元连接乘法器单元；控制模块根据采集模块的输出电压和基准电压通过电压误差计算单元计算电压误差信号输出至电压环PI控制器单元；所述电压环PI控制器单元根据电压误差信号输出控制信号到乘法器单元，所述乘法器单元生成参考输入电流。
4.根据权利要求3所述的一种带宽动态调节Boost-PFC控制电路，其特征在于：所述采样模块包括AC输入电压采样单元、第一Boost支路和第二Boost支路的MOS管采样单元和输出电压采样单元；所述AC输入电压采样单元用于对AC输入电压进行采样，所述MOS管采样单元对第一Boost支路和第二Boost支路的MOS管电流分别进行采样；所述输出电压采样单元用于对输出电压进行采样；输出电压采样单元分别与电压误差计算单元、动态调节模块相连接，所述AC输入电压采样单元与乘法器单元相连接。
5.根据权利要求4所述的一种带宽动态调节Boost-PFC控制电路，其特征在于：所述前馈模块包括电压前馈环计算器，电压前馈环计算器根据AC输入电压采样单元采样后的输入电压，计算输入电压平方的倒数值输出至乘法器单元。
6.根据权利要求5所述的一种带宽动态调节Boost-PFC控制电路，其特征在于：所述PWM模块包括第一PWM调制单元和第二PWM调制单元，第一PWM调制单元分别与第一Boost支路的MOS管输入端、第一电流PI控制器单元输出端相连接；第二PWM调制单元分别与第二Boost支路的MOS管输入端、第二电流PI控制器单元输出端相连接；所述第一PWM调制单元用于将第一电流PI控制器的输出控制信号转化为第一占空比信号；所述第二PWM调制单元用于将第二电流PI控制器的输出控制信号转化为第二占空比信号。
7.根据权利要求6所述的一种带宽动态调节Boost-PFC控制电路，其特征在于：所述第一PWM调制单元和第二PWM调制单元的调制基准相差180°。
8.根据权利要求7所述的一种带宽动态调节Boost-PFC控制电路，其特征在于：所述动态调节模块包括状态检测器、输出电压检测器和动态调节控制器；状态检测器用于检测PFC主电路的运行状态后输出至动态调节控制器；输出电压检测器用于将输出电压输出至动态调节控制器；所述动态调节控制器用于输出不同的PI参数至电压环PI控制器单元。
9.根据权利要求8所述的一种带宽动态调节Boost-PFC控制电路，其特征在于：所述PFC主电路包括整流桥，功率开关管S1、S2，电感L1、L2，电容C1、C2，二极管D1和D2，旁路二极管D3；整流桥一输出端与电感L1、L2的一端、旁路二极管D3的阳极以及电容C1的一端连接，整流桥另一输出端与功率MOS开关管S1和S2的源极、电容C1的另一端、电容C2的一端连接；电感L1和L2的另一端分别与二极管D1、D2阳极相连，二极管D1、D2和D3的阴极分别与电容C2的正极端接于节点A，电容C1的另一端接于节点B，节点A和B形成输出端。
10.一种基于权利要求1-9任一项所述的带宽动态调节Boost-PFC控制电路的控制方法，其特征在于：控制模块根据AC源的输入电压、第一Boost支路MOS管电流、第二Boost支路MOS管电流和输出电压计算得到的控制信号输出至均流模块；均流模块根据参考输入电流和第一Boost支路MOS管电流、第二Boost支路MOS管电流计算得到电流误差信号，并根据所述电流误差信号输出控制信号至PWM模块；所述PWM模块根据调节信号对控制信号移相调节后输出第一驱动信号至第一Boost支路，并输出第二驱动信号至第二Boost支路；动态调节模块根据PFC主电路状态和输出电压计算得到不同的PI参数输出至控制模块；所述采样模块采样信号输出至控制模块、前馈模块和均流模块，所述前馈模块用于输出前馈信号至控制模块。
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