CN116667633A - 一种混合模式平均电流计算电路及方法 - Google Patents

一种混合模式平均电流计算电路及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种混合模式平均电流计算电路及方法，根据开关电路的开关频率导通或者关闭，使得PFC控制器处于不同模式时，同时根据采集电流是否为0判断PFC控制器处于DCM电流模式或者CCM电流模式，根据数字载波的峰值和/或数字载波峰值一半时的采集电流得到PFC控制器CCM模式平均电流，根据开关电路导通一半时的采集电流、开关电路的导通时长和采集电路采集电流为0的时间计算得到PFC控制器DCM模式平均电流，从而方便对PFC控制器DCM模式下的平均电流进行计算，降低计算难度；同时计算精度更高，满足实际需求。

Description

一种混合模式平均电流计算电路及方法
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种混合模式平均电流计算电路及方法。
背景技术
对大功率用电设备应用中，为了降低无功功率耗散，提高功率因数，降低高次谐波对电网的污染，往往需要使用到PFC技术，对输入电流进行校正，使其相位跟随输入电压。
大功率应用场合往往使用到CCM模式，降低了峰值电流和纹波水平，扩大了负载应用范围；中低功率往往使用到DCM，获得了更好的效率。
平均电流检测方法是一种用于检测开关电源输入端的平均电流的方法。
但是，目前对于PFC控制器处于混合模式时，不能分别完成对不同模式平均电流的计算，同时对于DCM模式下平均电流的计算，由于DCM平均电流计算难度高，并且现有计算方式的计算结果精度低，不能满足实际使用需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种混合模式平均电流计算电路及方法，解决目前不能快速对PFC控制器混合模式平均电流进行计算的问题。
本发明解决上述技术问题的方案：
一种混合模式平均电流计算电路，其特征在于，包括：
输入整流桥电路，用于将输入电压全波整流得到整流电压；
开关电路，用于按照设定的数字载波与PID输出的比较结果进行导通或关断；
输入电感电路，用于按照开关电路的导通或关断，使整流电压产生电感电流；
采集电路，用于按照采样频率采集输入电感电路产生的电感电流，得到采集电流；
负载电路，用于得到采集电压；
计算芯片，用于根据数字载波与PID输出的比较结果产生开关脉冲，并得到开关电路的开关频率和开关电路的占空比；根据采集电流和采集电压得到PID输出；根据采集电流、开关频率和占空比计算PFC控制器DCM模式下的平均电流或者根据数字载波的峰值和/或数字载波峰值一半时的采集电流计算PFC控制器CCM模式下的平均电流。
进一步限定，所述开关电路包括NMOS管开关S1和NMOS管开关S2，所述输入电感电路包括电感线圈L1和电感线圈L2；
所述电感线圈L1和电感线圈L2并联在输入整流桥电路与负载电路之间；
所述NMOS管开关S1的栅极通过电阻R1与计算芯片的开关脉冲PWM1引脚相接，NMOS管开关S1的漏极与电感线圈L1的输出端相接，NMOS管开关S1的源极与采集电路的输入端连接；
所述NMOS管开关S2的栅极通过电阻R2与计算芯片的开关脉冲PWM2引脚相接，NMOS管开关S2的漏极与电感线圈L2的输出端相接，NMOS管开关S2的源极与采集电路的输入端连接；
所述计算芯片的ZCD1引脚与NMOS管开关S1的漏极相接，计算芯片的ZCD2引脚与NMOS管开关S2的漏极相接。
进一步限定，所述开关频率与采样频率比值为1：1~4。
进一步限定，所述采集电路包括电阻Rcs和电阻R0，所述NMOS管开关S1的源极和NMOS管开关S2的源极均与电阻Rcs的一端连接，电阻Rcs的另一端通过电阻R0与计算芯片的电流采集CS1引脚相接。
一种混合模式平均电流计算方法，基于上述的混合模式平均电流计算电路，其特征在于，包括以下步骤：
S1、根据计算芯片ZCD1引脚和ZCD2引脚分别采集的电压，判断PFC控制器处于DCM模式或者处于CCM模式，若PFC控制器处于CCM模式，则执行步骤S2；若PFC控制器处于DCM模式，则执行步骤S3；
S2、在开关电路的开关周期内，根据数字载波的峰值和/或数字载波峰值一半时的采集电流得到PFC控制器CCM模式平均电流；
S3、在开关电路的开关周期内，根据开关电路导通一半时的采集电流、开关电路的导通时长和采集电路采集电流为0的时间计算得到PFC控制器DCM模式平均电流。
进一步限定，所述步骤S1包括以下步骤：
S11、计算芯片通过ZCD1引脚采集NMOS管开关S1的漏极电压VZCD1；
S12、计算芯片通过ZCD2引脚采集NMOS管开关S2的漏极电压VZCD2；
S13、在开关电路的一个开关周期内，判断漏极电压VZCD1与漏极电压VZCD2是否存在电压均为0的时刻，若存在，则判断此时PFC控制器处于CCM模式，若否，则判断此时PFC控制器处于DCM模式。
进一步限定，所述步骤S2包括以下步骤：
S21、在数字载波RAMP1信号等于零时，得到采集电流I1；
S22、在数字载波RAMP1信号等于峰值时，得到采集电流I2；
S23、在数字载波RAMP2下降等于峰值一半时，得到采集电流I3；
S24、在数字载波RAMP2上升等于峰值一半时，得到采集电流I4；
S25、将采集电流I1、采集电流I2、采集电流I3或者采集电流I4作为PFC控制器CCM模式平均电流。
进一步限定，所述步骤S3包括以下步骤：
S31、在NMOS管开关S1的一个开关周期内，根据NMOS管开关S1的开关频率和占空比，采集NMOS管开关S1导通一半时间时的采集电流Id；
S32、在NMOS管开关S1的一个开关周期内，根据NMOS管开关S1的开关频率和占空比，确定NMOS管开关S1的导通时长d；
S33、在NMOS管开关S1的一个开关周期内，获取ZCD1引脚输入电压为0的时间；
S34、根据NMOS管开关S1的导通时长和ZCD1引脚输入电压为0的时间计算得到感应电流自峰值降至0的时间Δ1；
S35、根据ID=Id×（d+Δ1）计算得到PFC控制器DCM模式平均电流。
本发明的有益效果在于：
1、本发明根据开关电路的开关频率导通或者关闭，使得PFC控制器处于不同模式时，同时根据采集电流是否为0判断PFC控制器处于DCM电流模式或者CCM电流模式，根据数字载波的峰值和/或数字载波峰值一半时的采集电流得到PFC控制器CCM模式平均电流，根据开关电路导通一半时的采集电流、开关电路的导通时长和采集电路采集电流为0的时间计算得到PFC控制器DCM模式平均电流，从而方便对PFC控制器DCM模式下的平均电流进行计算，降低计算难度；同时计算精度更高，满足实际需求。
附图说明
图1为本发明PFC控制器拓扑结构示意图；
图2为本发明PFC控制器CCM模式平均电流检测示意图；
图3为本发明PFC控制器DCM模式平均电流检测示意图；
1-输入整流桥电路；2-输入电感电路；3-开关电路；4-采集电路；5-计算芯片；6-负载电路；7-电感电路。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例的附图，对本申请实施例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申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本申请的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
实施例1
参考图1，本实施例提供一种混合模式平均电流计算电路，包括：
输入整流桥电路1，用于将输入电压全波整流得到整流电压；
开关电路3，用于按照设定的数字载波与PID输出的比较结果进行导通或关断；
输入电感电路2，用于按照开关电路3的导通或关断，使整流电压产生电感电流；
采集电路4，用于按照采样频率采集输入电感电路2产生的电感电流，得到采集电流；
计算芯片5，用于根据数字载波与PID输出的比较结果产生开关脉冲，并得到开关电路3的开关频率和开关电路3的占空比；根据采集电流和采集电压得到PID输出；根据采集电流、开关频率和占空比计算PFC控制器DCM模式下的平均电流或者根据数字载波的峰值和/或数字载波峰值一半时的采集电流计算PFC控制器CCM模式下的平均电流。
其中，首先设定数字载波RAMP与离散数字补偿器算法，计算芯片5中，离散数字补偿器算法根据采集电流与采集电压计算得到PID输出DPID，从而使数字载波在低于DPID时产生高电平开关脉冲PWM，数字载波在高于DPID时产生低电平开关脉冲PWM，从而将产生的开关脉冲信号通过计算芯片5对应的PWM引脚发出；同时得到开关电路3的开关频率和占空比，随后开关电路3根据实时的开关脉冲导通与断开，得到新的电感电流，继而得到新的采集电压和采集电流，根据当前的采集电流和采集电压得到新的DPID。
其中数字载波RAMP包括数字载波RAMP1和数字载波RAMP2，对应的产生的开关脉冲信号包括PWM1和PWM2。
进一步说明，混合模式平均电流计算电路还包括电感电路7和负载电路6；
电感电路7，用于接输入整流桥电路1，在输入电感电路2关断时进行储能，在输入电感电路2导通时输出电感能量；
负载电路6，用于得到采集电压，也用于将输入电压和电感能量输出至负载。
进一步说明，开关电路3包括NMOS管开关S1和NMOS管开关S2，输入电感电路2包括电感线圈L1和电感线圈L2。
具体的，电感线圈L1和电感线圈L2并联在输入整流桥电路1与负载电路6之间。
电感线圈L1的输出端通过二极管D1与负载电路6相接，电感线圈L2的输出端通过二极管D2与负载电路6相接，在输入整流桥电路1与负载电路6之间还相接有二极管D0。
负载电路6包括有负载Load、电阻Rcs2、电阻RF1、电阻RF2和电容Bulk_Cap，二极管D0、二极管D1和二极管D2的负极均与电阻Rcs2的正极相接，电阻Rcs2的负极与负载Load的正极相接，负载Load的负极与电容Bulk_Cap的正极相接，电容Bulk_Cap的负极接电阻Rcs2的正极，电阻RF1与电阻RF2串联，电阻RF1的一端连接在负载Load与电阻Rcs2之间，电阻RF2的一端接地，计算芯片5的电压采集FB引脚连接在电阻RF1与电阻RF2之间。
NMOS管开关S1的栅极通过电阻R1与计算芯片5的开关脉冲PWM1引脚相接，在使用时能按照设定确定NMOS管开关S1的开关频率、开关周期以及占空比参数，计算芯片5按照对应的参数通过开关脉冲PWM1引脚控制NMOS管开关S1的导通或者断开。
NMOS管开关S1的漏极接在电感线圈L1输出端与二极管D1之间，NMOS管开关S1的源极与采集电路4的输入端连接。
NMOS管开关S2的栅极通过电阻R2与计算芯片5的开关脉冲PWM2引脚相接，在使用时能按照设定确定NMOS管开关S2的开关频率、开关周期以及占空比参数，计算芯片5按照对应的参数通过开关脉冲PWM2引脚控制NMOS管开关S2的导通或者断开。
NMOS管开关S2的漏极接在电感线圈L2输出端与二极管D2之间，NMOS管开关S2的源极与采集电路4的输入端连接。
计算芯片5的ZCD1引脚与NMOS管开关S1的漏极相接，计算芯片5的ZCD2引脚与NMOS管开关S2的漏极相接，用来监测NMOS管开关S1和NMOS管开关S2为导通状态或者为关断状态。
计算芯片5的CS2+引脚通过电阻R3与电阻Rcs2的正极连接，计算芯片5的CS2-引脚通过电阻R4与电阻Rcs2的负极连接。
进一步说明，PFC控制器为DCM模式时，PWM1引脚与PWM2引脚输出对应的开关周期相同；PFC控制器为CCM模式时，PWM1引脚与PWM2引脚输出开关周期相同，相位错位180°。
进一步说明，开关频率与采样频率比值为1:1~4，以1:4为例进行说明，即在一个开关周期内，进行4次电流采样；开关占空比也为1:4。
进一步说明，采集电路4包括电阻Rcs和电阻R0，NMOS管开关S1的源极和NMOS管开关S2的源极均与电阻Rcs的一端连接，电阻Rcs的另一端通过电阻R0与计算芯片5的CS1引脚相接，通过CS1引脚进行电流采集。
实施例2
参考图2和图3，基于实施例1提供的混合模式平均电流计算电路，本实施例提供一种混合模式平均电流计算方法，包括以下步骤：
S1、根据计算芯片5的ZCD1引脚和ZCD2引脚分别采集的电压，判断PFC控制器处于DCM模式或者处于CCM模式，若PFC控制器处于CCM模式，则执行步骤S2；若PFC控制器处于DCM模式，则执行步骤S3；
S2、在开关电路3的开关周期内，根据数字载波的峰值和/或数字载波峰值一半时的采集电流得到PFC控制器CCM模式平均电流；
S3、在开关电路3的开关周期内，根据开关电路3导通一半时的采集电流、开关电路3的导通时长和采集电路4电流为0的时间计算得到PFC控制器DCM模式平均电流。
进一步说明，步骤S1包括以下步骤：
S11、计算芯片5通过ZCD1引脚采集NMOS管开关S1的漏极电压VZCD1；
S12、计算芯片5通过ZCD2引脚采集NMOS管开关S2的漏极电压VZCD2；
S13、在一个开关周期内，判断漏极电压VZCD1与漏极电压VZCD2是否存在电压为0的时刻，若存在，则判断此时PFC控制器处于CCM模式，若否，则判断此时PFC控制器处于DCM模式；
具体的，若电感线圈L1的输出端电流为0，则ZCD1引脚采集NMOS管开关S1的漏极电压VZCD1=0；同样的，若电感线圈L2的输出端电流为0，则ZCD2引脚采集NMOS管开关S2的漏极电压VZCD2=0；从而判断VZCD1是否为0并且断VZCD2是否为0，若两者同时为0，则代表此时PFC控制器处于CCM模式，若否，则代表此时PFC控制器处于DCM模式。
进一步说明，步骤S2包括以下步骤：
S21、在数字载波RAMP1信号等于零时，得到采集电流I1；
S22、在数字载波RAMP1信号等于峰值时，得到采集电流I2；
S23、在数字载波RAMP2下降等于峰值一半时，得到采集电流I3；
S24、在数字载波RAMP2上升等于峰值一半时，得到采集电流I4；
S25、将采集电流I1、采集电流I2、采集电流I3或者采集电流I4作为PFC控制器CCM模式平均电流。
具体的，如图2所示，在对应的t1~t4时刻，PWM1为NMOS管开关S1的开关脉冲信号，PWM2为NMOS管开关S2的开关脉冲信号，采集电路4分别在数字载波RAMP1信号等于零时、数字载波RAMP1信号上升至峰值时、数字载波RAMP2下降至峰值一半时和数字载波RAMP2上升至峰值一半时得到的任一采集电流作为PFC控制器CCM模式平均电流。
进一步说明，也可以在t1时刻采集PWM1的NMOS管开关S1导通一半时间时的采集电流I1，此时采集的也为PWM2的NMOS管开关S2导通一半时间时的采集电流I3，在t2时刻采集PWM1的NMOS管开关S1断开一半时间时的采集电流I2，此时采集的也为PWM2的NMOS管开关S2断开一半时间时的采集电流I4。
进一步说明，步骤S3包括以下步骤：
S31、在NMOS管开关S1的一个开关周期内，根据NMOS管开关S1的开关频率和占空比，采集NMOS管开关S1导通一半时间时的采集电流I d；
S32、在NMOS管开关S1的一个开关周期内，根据NMOS管开关S1的开关频率和占空比，确定NMOS管开关S1的导通时长d；
S33、在NMOS管开关S1的一个开关周期内，获取ZCD1引脚输入电压为0的时间；
S34、根据NMOS管开关S1的导通时长和ZCD1引脚输入电压为0的时间计算得到感应电流自峰值降至0的时间Δ1；
S35、根据ID=Id×（d+Δ1）计算得到PFC控制器DCM模式平均电流。
具体的，如图3所示，PWM1为NMOS管开关S1的信号，PWM2为NMOS管开关S2的信号，同样的，PWM1信号周期与PWM2信号周期相同，两者的开关频率和占空比均相同，两者的相位差为180°。
首先采集NMOS管开关S1导通一半时间时的采集电流I d；随后根据NMOS管开关S1的开关频率确定NMOS管开关S1的开关周期，根据NMOS管开关S1的占空比，能够确定NMOS管开关S1的导通时长d；在获取采集电流自峰值降至电流为0的时间时，根据ZCD1引脚输入电压为0的时间，例如0.00s开始开关动作，获取到开关周期为1s，占空比为1:5，即开关导通时长d=0.2s，此时0.20s开关开始关断，当采集到电压为0的时间为0.4s时，即可根据0.4s-0.2s=0.2s得到Δ1=0.2s。
从而根据ID=Id×（d+Δ1）方便快捷地得到PFC控制器DCM模式平均电流。
如上即为本申请的实施例。上述实施例以及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述申请的验证过程，并非用以限制本申请的专利保护范围，本申请的专利保护范围仍然以其权利要求书为准，凡是运用本申请的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本申请的保护范围内。

Claims (8)

1.一种混合模式平均电流计算电路，其特征在于，包括：
输入整流桥电路（1），用于将输入电压全波整流得到整流电压；
开关电路（3），用于按照设定的数字载波与PID输出的比较结果进行导通或关断；
输入电感电路（2），用于按照开关电路（3）的导通或关断，使整流电压产生电感电流；
采集电路（4），用于按照采样频率采集输入电感电路（2）产生的电感电流，得到采集电流；
负载电路（6），用于得到采集电压；
计算芯片（5），用于根据数字载波与PID输出的比较结果产生开关脉冲，得到开关电路（3）的开关频率和开关电路（3）的占空比；根据采集电流和采集电压得到PID输出；根据采集电流、开关频率和占空比计算PFC控制器DCM模式下的平均电流或者根据数字载波的峰值和/或数字载波峰值一半时的采集电流计算PFC控制器CCM模式下的平均电流。
2.根据权利要求1所述的混合模式平均电流计算电路，其特征在于，所述开关电路（3）包括NMOS管开关S1和NMOS管开关S2，所述输入电感电路（2）包括电感线圈L1和电感线圈L2；
所述电感线圈L1和电感线圈L2并联在输入整流桥电路（1）与负载电路（6）之间；
所述NMOS管开关S1的栅极通过电阻R1与计算芯片（5）的开关脉冲PWM1引脚相接，NMOS管开关S1的漏极与电感线圈L1的输出端相接，NMOS管开关S1的源极与采集电路（4）的输入端连接；
所述NMOS管开关S2的栅极通过电阻R2与计算芯片（5）的开关脉冲PWM2引脚相接，NMOS管开关S2的漏极与电感线圈L2的输出端相接，NMOS管开关S2的源极与采集电路（4）的输入端连接；
所述计算芯片（5）的ZCD1引脚与NMOS管开关S1的漏极相接，计算芯片（5）的ZCD2引脚与NMOS管开关S2的漏极相接。
3.根据权利要求2所述的混合模式平均电流计算电路，其特征在于，所述开关频率与采样频率比值为1：1~4。
4.根据权利要求2所述的混合模式平均电流计算电路，其特征在于，所述采集电路（4）包括电阻Rcs和电阻R0，所述NMOS管开关S1的源极和NMOS管开关S2的源极均与电阻Rcs的一端连接，电阻Rcs的另一端通过电阻R0与计算芯片（5）的电流采集CS1引脚相接。
5.一种混合模式平均电流计算方法，基于权利要求4所述的混合模式平均电流计算电路，其特征在于，包括以下步骤：
S1、根据计算芯片（5）ZCD1引脚和ZCD2引脚分别采集的电压，判断PFC控制器处于DCM模式或者处于CCM模式，若PFC控制器处于CCM模式，则执行步骤S2；若PFC控制器处于DCM模式，则执行步骤S3；
S2、在开关电路（3）的开关周期内，根据数字载波的峰值和/或数字载波峰值一半时的采集电流得到PFC控制器CCM模式平均电流；
S3、在开关电路（3）的开关周期内，根据开关电路（3）导通一半时的采集电流、开关电路（3）的导通时长和采集电路（4）采集电流为0的时间计算得到PFC控制器DCM模式平均电流。
6.根据权利要求5所述的混合模式平均电流计算方法，其特征在于，所述步骤S1包括以下步骤：
S11、计算芯片（5）通过ZCD1引脚采集NMOS管开关S1的漏极电压VZCD1；
S12、计算芯片（5）通过ZCD2引脚采集NMOS管开关S2的漏极电压VZCD2；
S13、在开关电路（3）的一个开关周期内，判断漏极电压VZCD1与漏极电压VZCD2是否存在电压均为0的时刻，若存在，则判断此时PFC控制器处于CCM模式，若否，则判断此时PFC控制器处于DCM模式。
7.根据权利要求5所述的混合模式平均电流计算方法，其特征在于，所述步骤S2包括以下步骤：
S21、在数字载波RAMP1信号等于零时，得到采集电流I1；
S22、在数字载波RAMP1信号等于峰值时，得到采集电流I2；
S23、在数字载波RAMP2下降等于峰值一半时，得到采集电流I3；
S24、在数字载波RAMP2上升等于峰值一半时，得到采集电流I4；
S25、将采集电流I1、采集电流I2、采集电流I3或者采集电流I4作为PFC控制器CCM模式平均电流。
8.根据权利要求5所述的混合模式平均电流计算方法，其特征在于，所述步骤S3包括以下步骤：
S31、在NMOS管开关S1的一个开关周期内，根据NMOS管开关S1的开关频率和占空比，采集NMOS管开关S1导通一半时间时的采集电流Id；
S32、在NMOS管开关S1的一个开关周期内，根据NMOS管开关S1的开关频率和占空比，确定NMOS管开关S1的导通时长d；
S33、在NMOS管开关S1的一个开关周期内，获取ZCD1引脚输入电压为0的时间；
S34、根据NMOS管开关S1的导通时长和ZCD1引脚输入电压为0的时间计算得到感应电流自峰值降至0的时间Δ1；
S35、根据ID=Id×（d+Δ1）计算得到PFC控制器DCM模式平均电流。
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