CN115514210B - 一种pfc变换器控制系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种PFC变换器控制系统及其控制方法，包括锁相环、相位修正模块、电压环、乘法器、电流环、PWM信号生成模块，锁相环根据实时电压信号获得正弦基准信号；相位修正模块计算相位修正量，并根据相位修正量对正弦基准信号的相位进行修正；电压环将PFC变换器的输出电压与参考电压相减后进行PI调节；乘法器根据修正后的正弦基准信号和PI调节后的电压信号得到参考电流；电流环将参考电流与PFC变换器中的电流信号相减后进行PI调节。本申请技术方案采用相位修正方法对电流环参考电流相位进行了优化，解决了现有技术中采用平均电流控制导致电流波形存在畸变以及在轻载下导致功率因数会降低的问题。

Description

一种PFC变换器控制系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及电子器件控制技术领域，尤其涉及一种PFC变换器控制系统及其控制方法。
背景技术
现有技术中AC/DC变换器中通常采用功率因数校正(PFC)技术来减轻电力电子设备产生的谐波电流对电网的影响。现代电力电子设备的广泛应用，对PFC变换器的谐波失真(THD)、功率因数(PF)和效率等各项性能提出了更高的要求。传统的平均电流控制由于开关频率固定、对电感电流采样噪声不敏感等优点被广泛应用于大功率场合。但平均电流控制在应用时受限于输入电压采样精度、电流环动态调节能力、滤波器容性电流等因素，电流波形存在畸变，在轻载下导致功率因数会降低。
发明内容
本发明实施例提供一种PFC变换器控制系统及其控制方法，以解决现有技术中采用平均电流控制导致电流波形存在畸变以及在轻载下导致功率因数会降低的问题。
本申请第一方面提供一种PFC变换器控制系统，包括：
锁相环，其输入端与交流电网相连接，根据实时电压信号获得跟所述实时电压信号同频同相的一正弦基准信号；
相位修正模块，其输入端连接所述锁相环的输出端，用于根据PFC变换器的输入参数计算相位修正量，并根据所述相位修正量对所述正弦基准信号的相位进行修正；
电压环，其输入端连接所述PFC变换器的输出端，用于将所述PFC变换器的输出电压与参考电压进行减法运算后再进行PI调节；
乘法器，其输入端连接所述相位修正模块的输出端和所述电压环的输出端，用于根据修正后的正弦基准信号和PI调节后的电压信号得到参考电流；
电流环，其输入端连接所述乘法器的输出端，用于将所述参考电流与所述PFC变换器中的电流信号进行减法运算后再进行PI调节；
PWM信号生成模块，其输入端连接所述电流环的输出端，用于根据PI调节后的电流变化量生成PWM控制信号。
本申请第二方面提供一种PFC变换器控制系统的控制方法，包括：
根据实时电压信号获得跟所述实时电压信号同频同相的一正弦基准信号；
根据PFC变换器的输入参数计算相位修正量，并根据所述相位修正量对所述正弦基准信号的相位进行修正；
将所述PFC变换器的输出电压与参考电压进行减法运算后再进行PI调节；
根据修正后的正弦基准信号和PI调节后的电压信号得到参考电流；
将所述参考电流与所述PFC变换器中的电流信号进行减法运算后再进行PI调节；
根据PI调节后的电流变化量生成PWM控制信号。
本申请提供一种PFC变换器控制系统及其控制方法，包括锁相环、相位修正模块、电压环、乘法器、电流环、PWM信号生成模块，锁相环根据实时电压信号获得跟实时电压信号同频同相的一正弦基准信号；相位修正模块根据PFC变换器的输入参数计算相位修正量，并根据相位修正量对所述正弦基准信号的相位进行修正；电压环将PFC变换器的输出电压与参考电压进行相减后进行PI调节；乘法器根据修正后的正弦基准信号和PI调节后的电压信号得到参考电流；电流环将参考电流与PFC变换器中的电流信号进行相减后进行PI调节；PWM信号生成模块根据PI调节后的电流信号生成PWM信号。本申请技术方案将锁相环技术应用于平均电流控制并采用相位修正方法对电流环参考电流相位进行了优化，能够消除输入测滤波电容对PFC变换器输入电流引起的相位偏差，改善PFC变换器的功率因数；并且对平均电流控制模式下引起输入电流畸变的情况，采用基于电纳补偿的控制方法消除PFC变换器输入导纳中的电纳成分，从而提升其功率因数；此外对输出电压进行陷波滤波处理以消除纹波从而提升电压环路带宽。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例的描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一实施例中一种PFC变换器控制系统的结构示意图；
图2是本发明一实施例中一种PFC变换器控制系统中的锁相环的工作流程图；
图3是本发明一实施例中一种PFC变换器的电路图；
图4是本发明一实施例中一种PFC变换器控制系统中的相位修正模块的工作原理图；
图5是本发明一实施例中一种PFC变换器控制系统的另一结构示意图；
图6是本发明一实施例中一种PFC变换器控制系统的工作示意图；
图7是本发明传统PFC变换器控制系统的控制框图；
图8是本发明一实施例中一种PFC变换器控制系统的控制框图；
图9是本发明一实施例中一种PFC变换器控制系统的控制方法的流程图。
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作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。
本申请实施例提供的一种PFC变换器控制系统，基于相位修正方法，抵消PFC变换器中由输入滤波电容产生的容性输入电流，可以改善功率因数；基于电纳补偿方法，消除PFC变换器由于电流控制环路带宽限制而导致的输入导纳中的电纳成分，使其输入导纳为纯电导，从而改善PFC变换器的输入电流波形和功率因数。
在一实施例中，如图1所示，提供一种PFC变换器控制系统，包括：
锁相环101，其输入端与交流电网相连接，根据实时电压信号获得跟实时电压信号同频同相的一正弦基准信号；
相位修正模块102，其输入端连接锁相环101的输出端，用于根据PFC变换器的输入参数计算相位修正量，并根据相位修正量对正弦基准信号的相位进行修正；
电压环103，其输入端连接PFC变换器的输出端，用于将PFC变换器的输出电压与参考电压进减法运算后再进行PI调节；
乘法器104，其输入端连接相位修正模块102的输出端和电压环103的输出端，用于根据修正后的正弦基准信号和PI调节后的电压信号得到参考电流；
电流环105，其输入端连接乘法器104的输出端，用于将参考电流与PFC变换器中的电流信号进行减法运算后再进行PI调节；
PWM信号生成模块106，其输入端连接电流环105的输出端，用于根据PI调节后的电流变化量生成PWM控制信号。
其中，数字锁相环101用以实现PFC变换器输入电压相位的检测，可采用基于二阶广义积分器的锁相环101进行实现，锁相环101输出的结果用于提供电流环105参考电流的基准相位。
其中，如图2所示，锁相环101用于根据二阶广义积分器产生与输入电压信号同相的第一信号v'以及与输入电压信号正交的第二信号qv'，对第一信号和第二信号进行Park变换得到d轴分量vd和q轴分量vq并通过PI控制器调节q轴分量vq以使其为0。
具体的，锁相环101对电压信号进行Clarke变换，以得到对应的两相静止αβ坐标系下电压分量v'和正交的信号qv'，随后进行Park变换，以得到对应的两相旋转dq坐标系下的电压分量vd、电压分量vq，经过锁相环101的PI控制器调节电压分量vd、电压分量vq并计算对应的电网电压预估频率；经过锁相环积分模块对电网电压频率进行积分计算以得到对应的电网电压预估相位角。以及根据电压分量v'和正交的信号qv'得到电压有效值Vrms。
本实施方式中提供的锁相环结构简单，在数字控制系统中易于实现并且抗干扰能力比较强。
其中，相位修正模块102根据PFC变换器的输入电压、输入滤波电容、输入电阻计算相位修正量。
具体的，相位修正模块102根据以下公式计算相位修正量：
φ=arctan(2πf line C in /R in )，其中f line 表示PFC变换器输入电压的频率，C in 为PFC变换器的输入滤波电容，R in 为PFC变换器的等效输入电阻。
其中，相位修正模块102的计算原理如图3和图4所示。在PFC变换器中，交流输入端一般需要滤波器来滤除PFC变换器中电感电流的高频开关谐波。输入侧滤波器中会导致输入电压和输入电流之间产生相位差。若仅采用输入电容进行滤波，则输入电流将超前于输入电压。在图腾柱无桥PFC变换器中，交流输入端滤波器采用EMI滤波器来衰减差模干扰和共模干扰。以图3为例，控制对象为无桥PFC变换器，其额定输入电压为220VAC，额定功率为3000W，PFC变换器的工作频率为100kHz，额定输出电压为400V，电感L的电感量为220uH，功率管Q1和Q2的型号为C3M0030090K，S1和S2的型号为IPW65R045C7。基于相位修正和电纳补偿的PFC变换器优化控制策略用于控制功率开关器件Q1，Q2的占空比。本实施例中采用的EMI滤波器为单级结构，EMI滤波器包括电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电感L1以及电感L2，其中，电容C1、电容C2跨接在交流输入电压的两端，为X电容；C3、C4将交流输入电压两端与地连接，为Y电容；L1和L2为共模电感；共模电感在绕制时存在少量漏感。X电容和共模电感漏感用于衰减差模干扰，Y电容和共模电感衰减共模干扰。由于对地漏电流不能过大，Y电容的容值受到限制，一般X电容为uF级别，Y电容为nF级别。在考虑滤波器对输入电流的影响时，主要考虑X电容的影响。X电容和共模电感的漏感构成π型滤波电路。为简化分析，做出以下假设：仅考虑X电容对输入电流的影响，其等效电容为Cin，滤波器后图腾柱无桥PFC为纯阻性网络，其等效输入阻抗为R in 。简化后的电路如图4所示，此时有：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
其中，iin为输入电流，Vin为输入电压，R in 为等效输入阻抗，Cin为等效电容，fline为PFC变换器输入电压的频率。
由于输入电容引起的相位差为：
Figure 824701DEST_PATH_IMAGE002
。
基于这一结果对锁相环101的基准相位进行修正，从而消除PFC变换器输入侧滤波电容对输入电流相位的影响；结合电压环103控制模块的输出结果，可以给出电流环105的参考电流为I ref=I msin(2πf line t-φ)，Im为参考电流幅度，其由电压环决定。
进一步的，电压环103包括：
采样模块，用于获取PFC变换器的输出电压；
陷波器，用于滤除PFC变换器的输出电压的纹波；
减法器，用于将PFC变换器的输出电压与参考电压进行减法运算；
PI控制器，用于对减法器运算的结果进行PI调节。
本实施方式在电压环103中引入了陷波器，滤除PFC变换器输出电压的纹波，以提升PFC电路中电压环路的动态响应速度。
进一步的，如图5所示，PFC变换器控制系统还包括：
输入电纳补偿模块107，用于根据输入电压、锁相环输出的正弦基准信号以及输出电压对PFC变换器的输入导纳进行补偿；
加法器108，用于电流环105输出的变化量和输入电纳补偿模块107输出的变化量相加。
其中，输入电纳补偿模块107包括乘法器和加法器，用于对输出信号进行处理，得到对输入导纳的补偿值。
其中，输入电纳补偿模块用于根据输入电压使PFC变换器的输入导纳呈现纯电导特性。
具体的，输入电纳补偿模块的传递函数H c (s)=-1/V o ，其中，V o 为输出电压。
PFC变换器平均电流模式控制框图如图7所示，根据该控制框图，可以计算出PFC变换器的输入导纳为：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
其中，iL（s）为电感电流函数，vin（s）为输入电压函数，Giv（s）为变换器从输入电压到电感电流的传输函数，Ti（s）为电流环路增益函数，k为输入电压到参考电流的缩放系数，Gci（s）为电流环补偿器传递函数，Gm（s）为PWM信号调制环节的传递函数，Gid（s）为PFC变换器从占空比到电感电流的传递函数。
于以下近似：
Figure 300551DEST_PATH_IMAGE004
，Y(s)可以近似为：
Figure DEST_PATH_IMAGE005
其中，Vm为PWM调制环节的增益，s为复频率，L为电感。
带有电纳补偿模块的PFC变换器优化控制策略的电流环控制框图如图7所示，对这一控制框图进行理论计算可以得出在带有补偿支路情况下，PFC变换器的输入导纳Y(s)可以表示为：
Figure 870072DEST_PATH_IMAGE006
其中Y 3 (s)可以表示为：
Figure DEST_PATH_IMAGE007
其中，Hc（s）为电纳补偿模块的传递函数。
在电网频率下，输入导纳中的超前相位主要来自于Y 1 (s)，因此，令Y 3 (s)=-Y 1 (s)，则：
Figure 410775DEST_PATH_IMAGE008
通过设置H c (s)=-1/V o 即可使得Y 3 (s)和Y 1 (s)抵消，从而使得输入导纳呈现纯电导特性，消除电流环路带宽限制带来的相位差，改善电流的波形，提升PFC变换器的功率因数。
具体的，如图6所示，为本申请一种实施例的具体工作示意图，电压环中输入PFC变换器的输出电压Vout，通过陷波器滤除PFC变换器的输出电压的纹波，将所述PFC变换器的输出电压Vout与参考电压Vref进行相减后进行PI调节得到输出电压Vref。
其中，锁相环根据实时电压信号Vin获得跟所述实时电压信号同频同相的一正弦基准信号Sinθ以及根据根据有效值得到比例值k×1/Vin_rms。相位修正模块，根据PFC变换器的输入参数计算相位修正量，并根据所述相位修正量对所述正弦基准信号的相位进行修正得到Sin（θ-Φ）；乘法器，根据所述修正后的正弦基准信号Sin（θ-Φ）、比例值k×1/Vin_rms和PI调节后的电压信号得到参考电流Iref；电流环，其输入端连接所述乘法器的输出端，用于将参考电流Iref与PFC变换器中的电流信号IL进行相减后进行PI调节得到变化量d1；输入电纳补偿模块包括乘法器和加法器，乘法器输入
Figure DEST_PATH_IMAGE009
和Sinθ，
Figure 132875DEST_PATH_IMAGE010
，与直流分量进行减法运算后等于-V in /V o ，变化量d2为-1/V o 。PWM信号生成模块，根据变化量d1+d2生成PWM控制信号。
本申请提供一种PFC变换器控制系统，包括锁相环、相位修正模块、电压环、乘法器、电流环、PWM信号生成模块，锁相环根据实时电压信号获得跟实时电压信号同频同相的一正弦基准信号；相位修正模块根据PFC变换器的输入参数计算相位修正量，并根据相位修正量对正弦基准信号的相位进行修正；电压环将PFC变换器的输出电压与参考电压进行相减后进行PI调节；乘法器根据修正后的正弦基准信号和PI调节后的电压信号得到参考电流；电流环将参考电流与PFC变换器中的电流信号进行相减后进行PI调节；PWM信号生成模块根据PI调节后的变化量生成PWM控制信号。本申请技术方案将锁相环技术应用于平均电流控制并采用相位修正方法对电流环参考电流相位进行了优化；并且对平均电流控制模式下引起输入电流畸变的原因进行分析，采用基于电纳补偿的控制方法消除PFC变换器输入导纳中的电纳成分，从而提升其功率因数；此外对输出电压进行陷波滤波处理以消除纹波从而提升电压环路带宽。
本申请实施例二提供一种PFC变换器控制系统的控制方法，如图9所示，包括：
步骤S101.根据实时电压信号获得跟实时电压信号同频同相的一正弦基准信号。
步骤S102.根据PFC变换器的输入参数计算相位修正量，并根据相位修正量对正弦基准信号的相位进行修正。
其中，以下公式计算相位修正量：
φ=arctan(2πf line C in /R in )，其中f line 表示PFC变换器输入电压的频率，C in 为PFC变换器的输入滤波电容，R in 为PFC变换器的等效输入电阻。
步骤S103.将PFC变换器的输出电压与参考电压进行减法运算后再进行PI调节。
步骤S104.根据修正后的正弦基准信号和PI调节后的电压信号得到参考电流。
步骤S105.将参考电流与PFC变换器中的电流信号进行减法运算后再进行PI调节。
步骤S106.根据PI调节后的电流变化量生成PWM控制信号。
本申请技术方案基于数字锁相环获得PFC变换器输入电流的基准相位，并根据PFC变换器等效输入电阻和输入侧滤波电容对变换器输入电流相位偏差进行估计与修正，能够消除输入测滤波电容对PFC变换器输入电流引起的相位偏差，改善PFC变换器的功率因数。
进一步的，控制方法还包括：根据输入电压、所述正弦基准信号以及输出电压对PFC变换器的输入导纳进行补偿，根据补偿值和PI调节后的变化量生成PWM控制信号。
本实施方式通过设置H c (s)=-1/V o 即可使得输入导纳Y 3 (s)和Y 1 (s)抵消，从而使得输入导纳呈现纯电导特性，消除电流环路带宽限制带来的相位差，改善电流的波形，提升PFC变换器的功率因数。
在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述实施例中的PFC变换器控制系统的控制方法。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器（ROM）、可编程ROM（PROM）、电可编程ROM（EPROM）、电可擦除可编程ROM（EEPROM）或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器（RAM）或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM（SRAM）、动态RAM（DRAM）、同步DRAM（SDRAM）、双数据率SDRAM（DDRSDRAM）、增强型SDRAM（ESDRAM）、同步链路（Synchlink） DRAM（SLDRAM）、存储器总线（Rambus）直接RAM（RDRAM）、直接存储器总线动态RAM（DRDRAM）、以及存储器总线动态RAM（RDRAM）等。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。
以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种PFC变换器控制系统，其特征在于，包括：
锁相环，其输入端与交流电网相连接，根据实时电压信号获得跟所述实时电压信号同频同相的一正弦基准信号；
相位修正模块，其输入端连接所述锁相环的输出端，用于根据PFC变换器的输入参数计算相位修正量，并根据所述相位修正量对所述正弦基准信号的相位进行修正；
电压环，其输入端连接所述PFC变换器的输出端，用于将所述PFC变换器的输出电压与参考电压进行减法运算后再进行PI调节；
乘法器，其输入端连接所述相位修正模块的输出端和所述电压环的输出端，用于根据修正后的正弦基准信号和PI调节后的电压信号得到参考电流；
电流环，其输入端连接所述乘法器的输出端，用于将所述参考电流与所述PFC变换器中的电流信号进行减法运算后再进行PI调节；
PWM信号生成模块，其输入端连接所述电流环的输出端，用于根据PI调节后的电流变化量生成PWM控制信号；
所述PFC变换器控制系统还包括：
输入电纳补偿模块，其输入端连接所述锁相环的输出端，用于根据输入电压、所述锁相环输出的正弦基准信号以及输出电压对PFC变换器的输入导纳进行补偿。
2.如权利要求1所述的PFC变换器控制系统，其特征在于，所述锁相环用于通过二阶广义积分器产生与输入电压信号同相的第一信号以及与输入电压信号正交的第二信号，并对所述第一信号和所述第二信号进行Park变换得到d轴分量和q轴分量，再通过PI控制器调节q轴分量以使其为0。
3.如权利要求1所述的PFC变换器控制系统，其特征在于，所述PFC变换器的输入参数包括输入电压、输入滤波电容以及输入电阻。
4.如权利要求3所述的PFC变换器控制系统，其特征在于，所述相位修正模块根据以下公式计算相位修正量：
φ＝arctan(2πflineCin/Rin)，其中fline表示PFC变换器输入电压的频率，Cin为PFC变换器的输入滤波电容，Rin为PFC变换器的等效输入电阻。
5.如权利要求1所述的PFC变换器控制系统，其特征在于，所述电压环包括：
采样模块，用于获取所述PFC变换器的输出电压；
陷波器，用于滤除所述PFC变换器的输出电压的纹波；
减法器，用于将所述PFC变换器的输出电压与参考电压进行减法运算；
PI控制器，用于对所述减法器运算的结果进行PI调节。
6.如权利要求1所述的PFC变换器控制系统，其特征在于，所述输入电纳补偿模块用于根据输入电压、所述锁相环输出的正弦基准信号以及输出电压使PFC变换器的输入导纳呈现纯电导特性。
7.如权利要求6所述的PFC变换器控制系统，其特征在于，所述输入电纳补偿模块的传递函数Hc(s)＝-1/Vo，其中，Vo为输出电压。
8.一种PFC变换器控制系统的控制方法，其特征在于，包括：
根据实时电压信号获得跟所述实时电压信号同频同相的一正弦基准信号；
根据PFC变换器的输入参数计算相位修正量，并根据所述相位修正量对所述正弦基准信号的相位进行修正；
将所述PFC变换器的输出电压与参考电压进行减法运算后再进行PI调节；
根据修正后的正弦基准信号和PI调节后的电压信号得到参考电流；
将所述参考电流与所述PFC变换器中的电流信号进行减法运算后再进行PI调节；
根据PI调节后的电流变化量生成PWM控制信号；
所述控制方法还包括：
根据输入电压、所述正弦基准信号以及输出电压对PFC变换器的输入导纳进行补偿，根据补偿值和PI调节后的变化量生成PWM控制信号。
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