CN116470750A - 一种具有参数自适应调整锁频环的pfc变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有参数自适应调整锁频环的PFC变换器，包括：整流功率电路；控制模块，包括采样模块、占空比校正模块和PWM调制模块、参数自适应锁频环以及控制环路，采样模块用于对整流功率电路中的输入电压、电感电流与输出电压进行采样，并将采样得到的信息传输给控制环路；MOS驱动模块，MOS驱动模块的输出端输出4路控制信号，用于控制整流功率电路的4个开关管；其中，参数自适应锁频环包括参数自适应调整模块，用于根据输入电压的频率、峰值调整锁频环比例系数K2。本发明能够根据输入电压幅值与频率调整锁频环K2参数，在发生较大输入扰动下，依旧能准确跟踪频率与相位，提高变换器的稳定性。本发明可广泛应用于电源技术领域。

Description

一种具有参数自适应调整锁频环的PFC变换器
技术领域
本发明涉及电源技术领域，尤其涉及一种具有参数自适应调整锁频环的PFC变换器。
背景技术
电力行业的迅速发展使得大量电子设备应用到了民生、通信、工业等多个领域，多样化的电子设备由于其自身应用的AC/DC整流技术会通过输入电流给电网供应系统注入大量的谐波，导致系统损耗大量增加，电能转换效率下降，影响电力系统的安全性。因此，功率因数校正技术在现代整流变换器中显得格外重要，它通过控制电感电流与输入电压保持相位一致来提高系统功率因数，降低系统高次谐波，借此提高电子设备的能量转化率，节约电能。而图腾柱无桥PFC电路由于其结构简单、使用元器件少、系统损耗低等特点，逐渐成为近几年的研究热点，是高功率密度变换器的优秀方案之一。
在功率因数校正技术中，一个关键技术就是如何控制电感电流与输入电压保持同相位，常用的一种方案是使用锁相环跟踪输入电压并向控制系统提供相位参考，而考虑到输入电压也会发生频率扰动，在锁相环上增加锁频环即可令系统同时具备锁频锁相功能。传统的锁频环结构如图2所示，对于图中所示的K2参数，它在一定输入电压条件范围内能保持锁频环自身稳定与实现基本锁频锁相功能，但在输入电压幅值、频率发生较大改变时，固定不变的K2参数则可能会导致锁频环对谐振频率的调节得不到较快的响应，甚至超调或震荡，无法保证频率与相位跟踪的准确性，从而影响系统的稳定。
发明内容
为至少一定程度上解决现有技术中存在的技术问题之一，本发明的目的在于提供一种具有参数自适应调整锁频环的PFC变换器。
本发明所采用的技术方案是：
一种具有参数自适应调整锁频环的PFC变换器，包括：
整流功率电路，为图腾柱无桥PFC电路；
控制模块，包括采样模块、占空比校正模块和PWM调制模块、参数自适应锁频环以及控制环路，所述控制环路均与所述采样模块、占空比校正模块和PWM调制模块、参数自适应锁频环电性连接；所述采样模块用于对所述整流功率电路中的输入电压、电感电流与输出电压进行采样，并将采样得到的信息传输给控制环路；
MOS驱动模块，所述MOS驱动模块的输出端输出4路控制信号，用于控制所述整流功率电路的4个开关管；
其中，所述参数自适应锁频环包括参数自适应调整模块，所述参数自适应调整模块用于根据输入电压的频率、峰值调整锁频环比例系数K2。
进一步地，所述参数自适应调整模块通过以下公式计算锁频环比例系数K2：
式中，vi为输入电压的幅值，f为输入电压的频率，Ft为阈值，K1为比例系数。
进一步地，所述参数自适应锁频环还包括幅值检测模块、频率检测模块、SOGI模块、PLL模块和FLL模块；
所述幅值检测模块用于计算输入电压的幅值；
所述频率检测模块用于计算输入电压的频率；
所述参数自适应调整模块将计算获得的锁频环比例系数K2传输至FLL模块；
所述SOGI模块用于输出两个正交信号Vd、Vq，其中信号Vd与输入电压同幅值同相位，信号Vq与输入电压同幅值滞后90°；
所述FLL模块用于调节SOGI模块的谐振频率Wr，以使谐振频率Wr与输入电压的角频率一致；
所述PLL模块用于根据两个正交信号Vd、Vq生成输入电压的相位信号sin(ωt)。
进一步地，所述占空比校正模块用于根据输入电压计算理想占空比，计算原理如下：
输入电压大于0时，占空比校正模块输出信号Cs＝1-Ui/Ud；输入电压小于0时，占空比校正模块输出信号Cs＝-Ui/Ud；
其中Ui为输入电压，作为占空比校正模块输入；Ud为输出电压参考值。占空比校正模块输出与电流PI控制器输出相加作为占空比输入至PWM调制模块。
进一步地，所述参数自适应锁频环的输入端与采样模块输入电压输出通道连接，用于接收采样模块传输过来的输入电压信息；所述参数自适应锁频环的输出端与电压PI控制器输出相乘，向电流环参考输入提供相位参考。
进一步地，所述占空比校正模块、参数自适应调整锁频环和控制环路采用微控制器芯片进行实现；
所述采样模块三个通道输出端连接至微控制器芯片中，构成反馈回路；
通过采样模块，微控制器芯片获取到输出电压Uo、电感电流IL、输入电压Ui三个反馈值；微控制器芯片将基准电压Uref与输出电压Uo作差值运算得到电压偏差信号，经电压PI控制器计算得到控制信号，该控制信号表示参考电感电流峰值Ip，参考电感电流峰值Ip与参数自适应锁频环输出的输入电压相位信号sin(ωt)作乘积运算，作为电流环参考输入Iref，Iref与电感电流采样IL做差值运算得到电流偏差信号，经电流环PI控制器计算出补偿信号，补偿信号与占空比校正模块的输出相加得到占空比，并输出至PWM调制模块。
进一步地，所述微控制器芯片的型号为N32G452。
进一步地，所述采样模块的输入端与功率电路电性连接，包含3个采样通道，分别采集输入电压、电感电流、输出电压信息；采样模块输出端与控制环路相连接，用于将采集到的输入电压、电感电流、输出电压信息传输至控制环路。所述采样模块的采样方式如下：
对输入电压与输出电压均采用大电阻分压方式转换为小电压，再经过差分运放电路，最后采样得到的输出电压为带纹波的直流信号，输入电压为带直流偏置的正弦波信号；
电感电流先采用霍尔传感器转换为电压信号，经过差分运放电路与直流偏置，得到带偏置的正弦波信号。
进一步地，所述MOS驱动模块包括4个输出通道，分别与所述整流功率电路4个开关管的栅极电性连接，控制环路通过PWM调制模块与MOS驱动模块，驱使功率开关管的通断，以整定电感电流，令其跟踪输入电压，实现功率因数校正。
进一步地，所述图腾柱无桥PFC电路包括交流输入源、功率电感、开关管电路拓扑和储能电容，所述整流功率电路输出端用于与负载电性连接；
所述开关管电路拓扑包含4个开关管，第一开关管Q1、第二开关管Q2组成高频桥臂，桥臂中心点与储能电感一端电性连接，桥臂两端与储能电容两端电性连接；第三开关管Q3、第四开关管Q4组成低频桥臂，桥臂中心点与交流输入一端电性连接，桥臂两端与储能电容两端电性连接。
本发明的有益效果是：本发明利用具有参数自适应调整的锁频环能够根据输入电压幅值与频率调整锁频环K2参数，在发生较大输入扰动下，依旧能准确跟踪频率与相位，提高变换器的稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或者现有技术中的技术方案，下面对本发明实施例或者现有技术中的相关技术方案附图作以下介绍，应当理解的是，下面介绍中的附图仅仅为了方便清晰表述本发明的技术方案中的部分实施例，对于本领域的技术人员而言，在无需付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取到其他附图。
图1是本发明实施例中一种具有参数自适应调整锁频环的PFC变换器的结构示意图；
图2是传统锁频环的结构示意图；
图3是本发明实施例中具有参数自适应调整模块的锁频环结构示意图；
图4是本发明实施例中具有参数自适应调整锁频环的PFC变换器的实验波形；
图5是传统锁频环的仿真波形示意图；
图6是本发明实施例中具有参数自适应调整模块的锁频环的仿真波形示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
如图1所示，本实施例提供一种具有参数自适应调整锁频环的PFC变换器，利用参数自适应调整锁频环克服传统锁频环无法适应较大范围的交流输入变动的缺点，使得锁频环在输入电压发生较大变动时依旧能稳定且准确跟踪频率与相位，并始终为控制环路提供准确的相位参考，提高变换器的稳定性。该PFC变换器包括整流功率电路、控制模块与MOS驱动模块。
所述整流功率电路为图腾柱无桥PFC电路，包括交流输入源、功率电感、开关管电路拓扑、储能电容与负载；整流功率电路输出端与负载电性连接。
控制模块包括采样模块、占空比校正模块、参数自适应锁频环、PWM调制模块和控制环路。所述采样模块的输入端与功率电路电性连接，包含3个采样通道，分别采集输入电压、电感电流、输出电压信息；采样模块输出端与控制环路相连接，用于将采集到的输入电压、电感电流、输出电压信息传输至控制环路，所述PWM调制模块与MOS驱动模块电性连接，MOS驱动模块与功率电路电性连接，控制环路通过PWM调制模块与MOS驱动模块驱使功率开关管规律性通断，整定电感电流，令其跟踪输入电压，实现功率因数校正。
在控制模块工作下，MOS驱动模块输出正确驱动信号控制开关管通断；由于电路拓扑具有对称性，现以输入电压正半周为例，在此期间，Q3开关管始终关断、Q4开关管始终导通；当Q1开关管关断、Q2开关管互补导通时，输入电压对功率电感充电，负载由储能电容供电；当Q1开关管导通、Q2开关管互补关断时，功率电感放电，向负载与储能电容输出功率；在上述开关管驱动逻辑与控制模块的控制下，变换器能够完成对功率因数的校正。
作为一种可选的实施方式，所述采样模块对输入电压与输出电压均采用大电阻分压方式转换为小电压，再经过差分运放电路，最后采样得到的输出电压为带纹波的直流信号，而输入电压由于是正弦波，因此经过差分运放后还需进行直流偏置，电感电流先采用霍尔传感器转换为电压信号，然后经过差分运放电路与直流偏置，与输入电压一样，最终两者采样信号为带偏置的正弦波信号。
作为一种可选的实施方式，所述占空比校正模块、参数自适应调整锁频环和控制环路均采用国民技术的N32G452微控制器芯片进行实现，所述采样模块三个通道输出端连接至控制芯片中，构成反馈回路；通过采样模块，控制芯片获取到输出电压Uo、电感电流IL、输入电压Ui三个反馈值；控制芯片将基准电压Uref与输出电压Uo作差值运算得到电压偏差信号，经电压PI控制器计算得到控制信号，其控制信号表示参考电感电流峰值Ip，Ip与参数自适应锁频环输出的相位sin(ωt)作乘积运算，作为电流环参考输入Iref，Iref与电感电流采样IL做差值运算得到电流偏差信号，经电流环PI控制器计算出补偿信号，补偿信号与占空比校正模块的输出相加得到占空比，并输出至PWM调制模块。
图2是传统锁频环的结构，包含SOGI模块、PLL模块、FLL模块，SOGI模块负责输出两个正交信号Vd、Vq，Vd与输入电压同幅值同相位，Vq与输入电压同幅值滞后90°，正交信号与实际相位输出经PLL模块的Park变换矩阵转变成相位偏差信号，再经PI控制器构成闭环系统，稳定输出输入电压相位，并提供给控制模块，FLL模块负责调节SOGI模块的谐振频率Wr与输入电压角频率一致。其中K1为SOGI模块的比例系数，K2为FLL模块的比例系数，K2系数在一定程度上决定锁频环跟踪频率、相位的稳定性与快速响应。在锁频环基础上增加K2参数自适应调整模块可以动态调整K2参数，在较大输入电压条件范围内都能令锁频环保持快速响应与稳定。
参见图3，图3是本实施例提出的具有参数自适应调整锁频环的结构图，与传统的锁相环相比，本实施例的具有参数自适应调整锁频环还包含幅值检测模块、频率检测模块与参数自适应调整模块，幅值检测模块与频率检测模块的输入端均与采样模块的输入电压通道电性连接，用于计算输入电压的幅值与频率，参数自适应调整模块输入端与幅值检测模块、频率检测模块相连接，自适应调整模块所对应的计算公式如下：
式中，vi为输入电压的幅值，f为输入电压的频率，Ft为阈值，K1为SOGI模块的比例系数。
通过采用本实施例的技术方案，在一个较大的输入条件变动范围内，参数自适应锁频环依旧能稳定跟踪输入电压频率与相位，借此，控制环路始终能获取精确的相位参考，便于控制电感电流相位跟踪与功率因数校正。
图4是具有参数自适应调整锁频环的PFC变换器的实验波形，其中黄色曲线为直流输出电压，绿色曲线为交流输入电压，橙色曲线为电感电流；图4中初始输入电压为110V50Hz，其中在大约1.57s左右发生了频率扰动，输入电压变成110V70Hz，在发生扰动前后可以看出系统电感电流与输入电压均为正弦波，且电感电流相位与输入电压一致，而输出电压也保持稳定，可见系统实现功率因数校正功能；而发生扰动后，系统在大约1个工频周期内即可完成校正，令电感电流重新跟踪上输入电压的相位，而输出电压基本不变，说明参数自适应调整锁频环能够维持稳定，并提供精确的相位参考，而且具有快速的响应性。
图5是没有自适应调整模块的锁频环的仿真波形，其中Vac为交流输入电压，Vd为SOGI模块同相输出，Vq为SOGI模块正交输出，Wr为谐振频率，θ为交流输入的相位角度；图5中原输入为90V60Hz，之后发生扰动变成130V40Hz；由波形可以看出，在发生扰动前，锁频环是保持稳定的；但是发生扰动后，K2固定不变，而系统却变得不太稳定了，锁频环对谐振频率Wr的调节发生超调以及轻微震荡，调节速率缓慢，证明了固定不变的K2参数无法适应较大范围的输入电压扰动。
图6是带有K2参数自适应调整模块的锁频环的仿真波形，图标说明与图5一致；图6仿真时的输入条件与图5一致，同样初始输入为90V60Hz，扰动后变成130V40Hz，可以看出系统发生扰动后能够在短时间内恢复稳定，谐振频率Wr能够快速跟踪上输入电压，说明自适应调整公式能够正确计算出当前输入电压条件下对应的K2参数，令锁频环保持稳定与快速响应，并为控制模块提供准确的相位参考，提高控制系统的稳定性。
在本说明书的上述描述中，参考术语“一个实施方式/实施例”、“另一实施方式/实施例”或“某些实施方式/实施例”等的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施方式，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于上述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种具有参数自适应调整锁频环的PFC变换器，其特征在于，包括：
整流功率电路，为图腾柱无桥PFC电路；
控制模块，包括采样模块、占空比校正模块和PWM调制模块、参数自适应锁频环以及控制环路，所述控制环路均与所述采样模块、占空比校正模块和PWM调制模块、参数自适应锁频环电性连接；所述采样模块用于对所述整流功率电路中的输入电压、电感电流与输出电压进行采样，并将采样得到的信息传输给控制环路；
MOS驱动模块，所述MOS驱动模块的输出端输出4路控制信号，用于控制所述整流功率电路的4个开关管；
其中，所述参数自适应锁频环包括参数自适应调整模块，所述参数自适应调整模块用于根据输入电压的频率、峰值调整锁频环比例系数K2。
2.根据权利要求1所述的一种具有参数自适应调整锁频环的PFC变换器，其特征在于，所述参数自适应调整模块通过以下公式计算锁频环比例系数K2：
式中，vi为输入电压的幅值，f为输入电压的频率，Ft为阈值，K1为比例系数。
3.根据权利要求1所述的一种具有参数自适应调整锁频环的PFC变换器，其特征在于，所述参数自适应锁频环还包括幅值检测模块、频率检测模块、SOGI模块、PLL模块和FLL模块；
所述幅值检测模块用于计算输入电压的幅值；
所述频率检测模块用于计算输入电压的频率；
所述参数自适应调整模块将计算获得的锁频环比例系数K2传输至FLL模块；
所述SOGI模块用于输出两个正交信号Vd、Vq，其中信号Vd与输入电压同幅值同相位，信号Vq与输入电压同幅值滞后90°；
所述FLL模块用于调节SOGI模块的谐振频率Wr，以使谐振频率Wr与输入电压的角频率一致；
所述PLL模块用于根据两个正交信号Vd、Vq生成输入电压的相位信号sin(ωt)。
4.根据权利要求1所述的一种具有参数自适应调整锁频环的PFC变换器，其特征在于，所述占空比校正模块用于根据输入电压计算理想占空比，计算原理如下：
输入电压大于0时，占空比校正模块输出信号Cs＝1-Ui/Ud；输入电压小于0时，占空比校正模块输出信号Cs＝-Ui/Ud；
其中Ui为输入电压，作为占空比校正模块输入；Ud为输出电压参考值。
5.根据权利要求1所述的一种具有参数自适应调整锁频环的PFC变换器，其特征在于，所述参数自适应锁频环的输入端与采样模块输入电压输出通道连接，用于接收采样模块传输过来的输入电压信息；所述参数自适应锁频环的输出端与电压PI控制器输出相乘，向电流环参考输入提供相位参考。
6.根据权利要求1所述的一种具有参数自适应调整锁频环的PFC变换器，其特征在于，所述占空比校正模块、参数自适应调整锁频环和控制环路采用微控制器芯片进行实现；
所述采样模块三个通道输出端连接至微控制器芯片中，构成反馈回路；
通过采样模块，微控制器芯片获取到输出电压Uo、电感电流IL、输入电压Ui三个反馈值；微控制器芯片将基准电压Uref与输出电压Uo作差值运算得到电压偏差信号，经电压PI控制器计算得到控制信号，该控制信号表示参考电感电流峰值Ip，参考电感电流峰值Ip与参数自适应锁频环输出的输入电压相位信号sin(ωt)作乘积运算，作为电流环参考输入Iref，电流环参考输入Iref与电感电流采样IL做差值运算得到电流偏差信号，经电流环PI控制器计算出补偿信号，补偿信号与占空比校正模块的输出相加得到占空比，并输出至PWM调制模块。
7.根据权利要求6所述的一种具有参数自适应调整锁频环的PFC变换器，其特征在于，所述微控制器芯片的型号为N32G452。
8.根据权利要求1所述的一种具有参数自适应调整锁频环的PFC变换器，其特征在于，所述采样模块的采样方式如下：
对输入电压与输出电压均采用大电阻分压方式转换为小电压，再经过差分运放电路，最后采样得到的输出电压为带纹波的直流信号，输入电压为带偏置的正弦波信号；
电感电流先采用霍尔传感器转换为电压信号，经过差分运放电路与直流偏置，得到带偏置的正弦波信号。
9.根据权利要求1所述的一种具有参数自适应调整锁频环的PFC变换器，其特征在于，所述MOS驱动模块包括4个输出通道，分别与所述整流功率电路4个开关管的栅极电性连接，控制环路通过PWM调制模块与MOS驱动模块，驱使功率开关管的通断，以整定电感电流，令其跟踪输入电压，实现功率因数校正。
10.根据权利要求1所述的一种具有参数自适应调整锁频环的PFC变换器，其特征在于，所述图腾柱无桥PFC电路包括交流输入源、功率电感、开关管电路拓扑和储能电容，所述整流功率电路输出端用于与负载电性连接；
所述开关管电路拓扑包含4个开关管，第一开关管Q1、第二开关管Q2组成高频桥臂，桥臂中心点与储能电感一端电性连接，桥臂两端与储能电容两端电性连接；第三开关管Q3、第四开关管Q4组成低频桥臂，桥臂中心点与交流输入一端电性连接，桥臂两端与储能电容两端电性连接。
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