CN115425834B - 一种可变高频载波的图腾柱电感电流波形校正方法及系统 - Google Patents

一种可变高频载波的图腾柱电感电流波形校正方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种可变高频载波的图腾柱电感电流波形校正方法及系统，包括：控制电路基于可调的高频载波幅值和频率，生成不同于幅值恒定、频率恒定时的开关信号；功率电路接收所述开关信号，实现电感电流波形校正。本发明通过对高频载波幅值、频率的调整，实现了对电感电流波形的校正补偿，使得电感电流波形更加接近于正弦波，有效地降低了电流谐波含量；本发明只在载波信号环节进行高频载波幅值和频率调整，不改变其它电路结构，实现容易，可靠性高；本发明生成幅频可调载波信号需要的系数，可根据不同需要改变，适应范围广，可扩展性强。

Description

一种可变高频载波的图腾柱电感电流波形校正方法及系统
技术领域
本发明涉及电力电子领域，具体地，涉及一种可变高频载波的图腾柱电感电流波形校正方法及系统。
背景技术
单相交流电压供电的电力电子变换器，在家用电器等设备中发挥了重要的作用，但在实际应用中，需要采用有源功率因数校正(PFC)技术，或采用单相有源电力滤波(APF)技术，以此抑制网侧谐波电流和提高网侧功率因数，满足IEC61000-3-2和IEC6100-3-12规定的谐波抑制标准。
图腾柱PFC中功率电路和控制电路，功率电路包括两个桥臂，一般情况下，一个为高频切换的GaN FET或IGBT桥臂，另一个为工频切换的SiC FET或二极管桥臂，控制电路包括模拟控制电路或数字控制电路。图腾柱PFC是一种有源功率因数校正电路，同其它PFC电路一样，输出电容电压控制可以采取PI控制器、跨导型单零单极控制器等，电感电流控制可以采用跟随控制、单周期控制和滞环控制等，对于跟随控制和单周期控制，由于网压或输入电压过零附近电压瞬时值较小，使得网流或输入电流出现过零交越失真，使得网侧功率因数较低和出现较高次谐波电流为此需要进行过零补偿。
对于传统有桥PFC，有文献提出了电流补偿环概念，比较好地实现了电流过零补偿，其补偿原理为：在原有(正弦波求绝对值后)正弦半波基础上加入补偿量，以此扩大网压过零附近的占空比，从而改善输入电流交越失真情况。但是对于图腾柱PFC，尚未出现有效的电感电流波形校正方法，而且传统有桥PFC电流补偿环概念也不能简单地适用，需要重新设计。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种变高频载波的图腾柱PFC电感电流波形校正方法及系统。
根据本发明的一个方面，提供一种可变高频载波的图腾柱电感电流波形校正方法，包括：
控制电路基于可调的高频载波幅值和频率，生成不同于幅值恒定、频率恒定时的开关信号；
功率电路接收所述开关信号，实现电感电流波形校正。
优选地，所述控制电路包括电压调节器、电流调节器、开关脉冲发生器、电感环节单元、FRD环节单元和负载环节单元；其中，所述电感环节单元的输出作为所述电流调节器的输入，形成电流内环补偿环节；所述负载环节单元的输出作为所述电压调节器的输入，形成电压外环补偿环节；所述电流内环补偿环节中，所述高频载波幅值和频率可调。
优选地，所述可调的高频载波幅值和频率，基于计算单元、RS触发器、选择器、积分器和复合器实现；
其中，所述计算单元的输出作为所述选择器的输入；
所述RS触发器决定所述选择器的工作状态；
所述选择器的输出经系数调幅后，得到幅频可调的载波信号。
优选地，所述计算单元生成单位幅值的正弦波u(1)＝sinωit；
设置系数a和系数b；
计算u(2)＝[a|sin(ωit)|-1]b的值，令u(3)＝-u(2)；
所述计算单元生成幅值是0.25的正弦波，即u(4)＝0.25×sinωit；
设置系数c＝1e-5；
计算u(5)＝-c[|u(4)|+0.5]，令u(6)＝-u(5)；
设置RS逻辑触发器的逻辑为：R端与S端同时出现高电平“1”或低电平“0”时，S端的作用具有优先权；
设置2选1的选择器阈值为零，将输入是否大于零作为其选择端的选择条件；
将u(2)和u(3)、u(5)和u(6)分别与第一选择器、第二选择器相连接；
所述积分器对与u(2)和u(3)连接的第一选择器的输出进行积分，获得输出积分值；
所述复合器对与u(5)和u(6)连接的第二选择器的输出进行复合；
所述复合器输出求差和极性判断，送入所述RS触发器的S端；
所述复合器输出求反差和极性判断，送入所述RS触发器的R端；
RS触发器输出送入所述第一选择器和所述第二选择器的条件端；
所述第一选择器的所述输出积分值乘以系数得到幅值和频率可调的三角载波。
优选地，所述基于可调的高频载波幅值和频率，控制电路生成不同于幅值恒定、频率恒定时的开关信号，包括：
所述电压外环补偿环节的输出电压uo′与参考电压Uref的差值作为所述电压调节器的输入端Vetr；
所述电压调节器的输出端Uctr1和网压信号ui″相乘后，减去所述电流内环补偿环节输出端信号iL′作为所述电流调节器的输入端Ietr。
优选地，所述基于可调的高频载波幅值和频率，控制电路生成不同于幅值恒定、频率恒定时的开关信号，还包括：
所述电流调节器的输出端与所述开关脉冲发生器的输入端相连；
所述开关脉冲发生器的输出端ui′与网压瞬值ui的差值作为所述电感环节的输入端信号；
所述电感环节的输出端信号作为电流内环补偿环节的输入端，同时作为所述FRD环节的输入端；
所述FRD环节的输出端ID1作为所述负载环节的输入端；
所述负载环节的输出端uo作为电压外环补偿环节的输入端。
优选地，所述开关信号输入功率电路，实现电感电流波形校正，包括：
开关信号经过驱动后送入功率电路；
所述开关信号经过驱动电路驱动后送入功率电路，实现对电感电流波形的校正；所述驱动电路共计四路驱动信号，对应四个功率开关。
根据本发明的第二个方面，提供一种可变高频载波的图腾柱电感电流波形校正系统，包括：
控制电路模块，该模块基于可调的高频载波幅值和频率，生成不同于幅值恒定、频率恒定时的开关信号；
功率电路模块，该模块接收所述开关信号，实现电感电流波形校正。
根据本发明的第三个方面，提供一种终端，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时可用于执行任一项所述的方法，或，运行所述的系统。
根据本发明的第四个方面，提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时可用于执行任一项所述的方法，或，运行所述的系统。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
(1)本发明实施例中的可变高频载波的图腾柱电感电流波形校正方法及系统，通过对高频载波幅值、频率的调整，实现了对电感电流波形的校正补偿，使得电感电流波形更加接近于正弦波，有效地降低了电流谐波含量。
(2)本发明实施例中的可变高频载波的图腾柱电感电流波形校正方法及系统，只在载波信号环节进行高频载波幅值和频率的调整，不改变其它控制电路和功率电路结构，实现容易，可靠性高。
(3)本发明实施例中的可变高频载波的图腾柱电感电流波形校正方法及系统，生成幅频可调载波信号需要的系数，可根据不同需要改变，适应范围广，可扩展性强。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明一实施例中的控制电路结构图；
图2为本发明一优选实施例中的高频载波幅频可调实现流程图；
图3为本发明一优选实施例中的高频载波幅频可调仿真实验模型图；
图4为本发明一优选实施例中的功率电路结构图；
图5为本发明一优选实施例中未采用电感电流校正方法时的网侧电流波形图和电感电流输出波形图；
图6为本发明一优选实施例中采用电感电流校正方法后的网侧电流波形图和电感电流输出波形图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明提供一个实施例，一种图腾柱电感电流波形校正方法，包括：
S100，控制电路基于可调的高频载波幅值和频率，生成不同于幅值恒定、频率恒定时的开关信号；
S200，功率电路接收S100中的开关信号，实现电感电流波形校正。
本实施例在图腾柱PFC控制结构中，通过对高频载波信号的改变，易于实现，可以有效校正输入电感电流波形，降低谐波电流含量。
在本发明的一个优选实施例中，如图1所示，控制电路包括电压调节器、电流调节器、开关脉冲发生器、电感环节单元、FRD环节单元和负载环节单元；其中，电感环节单元的输出作为电流调节器的输入，形成电流内环补偿环节；负载环节单元的输出作为电压调节器的输入，形成电压外环补偿环节；电流内环补偿环节中，高频载波幅值和频率可调。
在本发明的一个优选实施例中，如图2和图3所示，可调的高频载波幅值和频率的实现基于计算单元、RS触发器、选择器、积分器和复合器。一般的，计算单元用于完成数学运算；RS触发器用于完成RS触发器功能，R端为高平时输出Q为0，S端为高电平时输出Q为1；选择其是根据中间输入端子的信号与内部设置阈值的大小关系，决定传出第一通道信号还是第二通道信号，前者较高时，传输第一通道信号，否则传输第二通道信号。积分器用于完成积分运算；复合器将两路输入信号转换为一个信号组。
其中，计算单元的输出作为选择器的输入；RS触发器决定选择器的工作状态；选择器的输出经系数调幅后与幅值频率恒定的高频载波信号复合，得到幅频可调的载波信号。其中，RS触发器的具体作用是：其输入端R为高电平“1”时，RS触发器输出端Q输出低电位“0”，为复位功能；其输入端S为高电平“1”时，RS触发器输出端Q输出低电位“1”，为置位功能；RS触发器输出端Q与两只选择器的中间控制端相连，输出端Q为1时，大于选择器的阈值，比如0，高端第一输入信号输出值选择器的输出端。输出端Q为0时，小于选择器的阈值，比如0，低端第三输入信号输出值选择器的输出端；因此，RS触发器决定选择器的工作状态。
本实施例，其生成幅频可调载波信号需要的系数，可根据不同需要改变，适应范围广，可扩展性强。
一较佳实施例中，提供了高频载波幅值和频率的可调的具体过程，如下：
S01，计算单元生成单位幅值的正弦波u(1)＝sinωit，设置系数a和系数b，系数a、系数b可根据实际应用改变，并计算u(2)＝[a|sin(ωit)|-1]b的值，令u(3)＝-u(2)；
S02，计算单元生成幅值是0.25的正弦波，即u(4)＝0.25×sinωit，然后设置系数c＝1e-5，并计算u(5)＝-c[|u(4)|+0.5]，令u(6)＝-u(5)；
S03，设置RS逻辑触发器，S具有优先权；
S04，设置2选1选择器和是否大于零的选择条件；
S05，u(2)和u(3)、u(5)和u(6)分别与第一选择器、第二选择器相连接；
S06，积分器对与u(2)和u(3)连接的第一选择器的输出进行积分；
S07，复合器对与u(5)和u(6)连接的第二选择器的输出进行复合；
S08，复合器输出求差和极性判断，送入RS触发器的S端；
S09，复合器输出求反差和极性判断，送入RS触发器的R端；
S10，RS触发器输出送入第一选择器和第二选择器的条件端；
S11，第一选择器的输出积分值乘以系数得到幅值和频率可调的三角载波；本实施例中，系数为0.6666*10^5，该系数在利用DSP编程计算或Simulink仿真计算时，需要进行参数匹配，或称为标定，否则不能实现参数的匹配，比如说不能构成调制，得不到PWM驱动信号。
本实施例中，可生成幅频可调载波信号需要的系数，可根据不同需要改变，适应范围广，可扩展性强。
在本发明的一个优选实施例，实施了S100，其过程如下：
具体的，电压外环补偿环节的输出电压uo′与参考电压Uref的差值作为电压调节器的输入端Vetr，电压调节器的输出端Uctr1和网压信号ui″相乘后，减去电流内环补偿环节输出端信号iL′作为电流调节器的输入端Ietr
具体的，施行上述实施例中的S01-S11，获得幅值和频率可调的三角载波。
具体的，电流调节器的输出端与开关脉冲发生器的输入端相连，开关脉冲发生器的输出端ui′与网压瞬值ui的差值作为电感环节的输入端信号，电感环节的输出端信号作为电流内环补偿环节的输入端，同时作为FRD环节的输入端，FRD环节的输出端ID1作为负载环节的输入端，负载环节的输出端uo作为电压外环补偿环节的输入端。
本实施例中，调节高频载波幅值和频率只在载波信号环节进行调整，不改变控制电路和功率电路的电路结构，实现容易，可靠性高。
在本发明的一个优选实施例中，提供了一个功率电路，参见图4，该功率电路模块包括交流电源、输入滤波电容以及图腾柱PFC电路结构；
其中，交流电源包括第一输出端和第二输出端；第一输出端和第二输出端构成输入电压输出端；
其中，输入滤波电容一端连接交流电源第一输出端，另一端连接交流电源第二输出端；
其中，图腾柱PFC电路结构包括电感、第一场效应晶体管、第二场效应晶体管、第三场效应晶体管、第四场效应晶体管、第一电阻以及第二电阻；第一场效应晶体管的源极连接第二场效应晶体管的漏极；第三场效应晶体管的源极连接第四场效应晶体管的漏极；电感的第一端连接交流电源的火线，电感的第二端连接第一场效应晶体管的源极与第二场效应晶体管的漏极之间的节点；第三场效应晶体管的源极与第四场效应晶体管的漏极之间的节点连接交流电源的零线；第一场效应晶体管的漏极连接第三场效应晶体管的漏极，第二场效应晶体管的源极接地，第四场效应晶体管的源极接地；第一电阻的第一端连接第一场效应晶体管的漏极与第三场效应晶体管的漏极之间的节点，第一电阻的第二端连接所第二电阻的第一端，第二电阻的第二端接地；第二电阻的第一端、第二端构成输出电压输出端。
在本发明的一个优选实施例中，实施S200，开关信号经过驱动电路驱动后送入功率电路，实现对电感电流波形的校正；所述驱动电路共计四路驱动信号，对应四个功率开关，即S1、S2、S3和S4。
基于相同的发明构思，本发明的其它实施例中，还提供一种图腾柱电感电流波形校正系统，包括控制电路模块和功率电路模块；控制电路模块基于可调的高频载波幅值和频率，生成不同于幅值恒定、频率恒定时的开关信号；功率电路模块接收开关信号，实现电感电流波形校正。
基于相同的发明构思，本发明的其它实施例中，还提供一种终端，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时可用于执行任一项所述的方法，或，运行所述的系统。
基于相同的发明构思，本发明的其它实施例中，还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时可用于执行任一项所述的方法，或，运行所述的系统。
为了验证本发明的校正效果，提供一个应用实施例，该实例中各参数设置如下：
输入电压：220Vac@50Hz；
输出电压：385V；
输出功率：数百瓦～3.3kW；
开关频率：40kHz
电阻R1、R2：1MΩ；
电阻R3：25.8kΩ；
二极管D1～D2：1N4148；
电容C1：1.0μF；
电容C2：3x470μF；
电感L1：250μH；
SiC FET S3、S4：25A@85℃，650V；
GaN FET S1、S2：25A@85℃，650V。
其相应的电感电流波形校正前、校正后如图5、图6所示。由此可见，本实施例实现了对电感电流波形的校正补偿，使得电感电流波形更加接近于正弦波，有效地降低了电流谐波含量。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。上述各优选特征在互不冲突的情况下，可以任意组合使用。

Claims (7)

1.一种可变高频载波的图腾柱电感电流波形校正方法，其特征在于，包括：
控制电路基于可调的高频载波幅值和频率，生成不同于幅值恒定、频率恒定时的开关信号；
功率电路接收所述开关信号，实现电感电流波形校正；
所述控制电路包括电压调节器、电流调节器、开关脉冲发生器、电感环节单元、FRD环节单元和负载环节单元；其中，所述电感环节单元的输出作为所述电流调节器的输入，形成电流内环补偿环节；所述负载环节单元的输出作为所述电压调节器的输入，形成电压外环补偿环节；所述电流内环补偿环节中，所述高频载波幅值和频率可调；
所述可调的高频载波幅值和频率，基于计算单元、RS触发器、选择器、积分器和复合器实现；
其中，所述计算单元的输出作为所述选择器的输入；
所述RS触发器决定所述选择器的工作状态；
所述选择器的输出经系数调幅后，得到幅频可调的载波信号；
所述计算单元生成单位幅值的正弦波；设置系数a和系数b；
计算的值，令/>；
所述计算单元生成幅值是0.25的正弦波，即；
设置系数；
计算，令/>；
设置RS逻辑触发器的逻辑为：R端与S端同时出现高电平“1”或低电平“0”时，S端的作用具有优先权；
设置2选1的选择器阈值为零，将输入是否大于零作为其选择端的选择条件；
将分别与第一选择器、第二选择器相连接；
所述积分器对与连接的第一选择器的输出进行积分，获得输出积分值；
所述复合器对与连接的第二选择器的输出进行复合；
所述复合器输出求差和极性判断，送入所述RS触发器的S端；
所述复合器输出求反差和极性判断，送入所述RS触发器的R端；
RS触发器输出送入所述第一选择器和所述第二选择器的条件端；
所述第一选择器的所述输出积分值乘以系数得到幅值和频率可调的三角载波。
2.根据权利要求1所述的一种可变高频载波的图腾柱电感电流波形校正方法，其特征在于，
所述基于可调的高频载波幅值和频率，控制电路生成不同于幅值恒定、频率恒定时的开关信号，包括：
所述电压外环补偿环节的输出电压与参考电压/>的差值作为所述电压调节器的输入端/>；
所述电压调节器的输出端和网压信号/>相乘后，减去所述电流内环补偿环节输出端信号/>作为所述电流调节器的输入端/>。
3.根据权利要求2所述的一种可变高频载波的图腾柱电感电流波形校正方法，其特征在于，所述基于可调的高频载波幅值和频率，控制电路生成不同于幅值恒定、频率恒定时的开关信号，还包括：
所述电流调节器的输出端与所述开关脉冲发生器的输入端相连；
所述开关脉冲发生器的输出端与网压瞬值/>的差值作为所述电感环节的输入端信号；
所述电感环节的输出端信号作为电流内环补偿环节的输入端，同时作为所述FRD环节的输入端；
所述FRD环节的输出端ID1作为所述负载环节的输入端；
所述负载环节的输出端作为电压外环补偿环节的输入端。
4.根据权利要求1所述的一种可变高频载波的图腾柱电感电流波形校正方法，其特征在于，所述开关信号输入功率电路，实现电感电流波形校正，包括：
开关信号经过驱动后送入功率电路；
所述开关信号经过驱动电路驱动后送入功率电路，实现对电感电流波形的校正；所述驱动电路共计四路驱动信号，对应四个功率开关。
5.一种可变高频载波的图腾柱电感电流波形校正系统，用于实现权利要求1-4任一项所述的可变高频载波的图腾柱电感电流波形校正方法，其特征在于，包括：
控制电路模块，该模块基于可调的高频载波幅值和频率，生成不同于幅值恒定、频率恒定时的开关信号；
功率电路模块，该模块接收所述开关信号，实现电感电流波形校正。
6.一种终端，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时可用于执行权利要求1-4中任一项所述的方法，或，运行权利要求5中所述的系统。
7.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时可用于执行权利要求1-4中任一项所述的方法，或，运行权利要求5中所述的系统。
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Citations (6)

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