CN1228907C - 半桥型pfc母线均压控制方法及装置 - Google Patents

半桥型pfc母线均压控制方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种半桥型PFC母线均压控制方法及装置，将正负母线电压差进行比例—积分—微分变换后信号直接迭加到占空比信号(d)上，而不是接到电流环的前端，这样，即使有电流环存在，电流内环的调节器参数调整是独立的，其变化不会影响均压环的增益，均压环的参数只需一次调整好，以后无须在根据电流环增益做相应调整。而均压环也不会影响电流环，从而使电流指令畸变小，输入电流的THD不会因为有了均压环而变大。

Description

半桥型PFC母线均压控制方法及装置
技术领域：
本发明涉及半桥型(Half-Bridge Boost)PFC(功率因数校正电路)母线均压控制方法及装置。
背景技术：
半桥型PFC的主电路拓扑见图1，这种电路简单元件少，效率高。一般采用图2所示的双环控制，外环为电压环，输出电压反馈与输出电压指令比较，误差经PID(比例-积分-微分)调节器后输出量作为输入电感电流幅值的指令值，由内环实现输入电流的波形跟踪输入市电波形，从而实现功率因数校正。
然而单纯采用图2所示的控制框图可能会有问题，实际上电路的上、下桥臂及其驱动单元的元器件总是有离散性，即上、下桥臂不完全对称，导致两个电容Cp、Cn上的平均电压有差别，即Vd＝Vp-Vn(Vp，Vn分别是正、负母线电压在一个工频周期内的平均值)不为零，此外如果两个电容所带的负载不对称，也会使Vd不为零。如果对此差别不加以抑制，有时会很大，使电路的输入电压范围变窄，甚至使电路不能正常工作。因此有必要采取正、负母线均压措施，使两个电容上的平均电压尽可能相等。
因为正、负母线电压不均衡是由正负母线电容电流不均衡造成(严格说由电容电流和电容量不匹配造成，如果正、负母线电解电容的电容量有差别，即使电流一样，母线电压也不一样)，因此直接的想法就是控制输入电流(要流入电容)，使电容均压，因此需要修正电流参考值。按一般思路就会采取如下方案：要均压就要均流，从而就要修正电流指令。图3就是一种基于此种思路的方案，与图2的基本控制方案相比，增加了第三个控制环----均压环，把Vd送至新增的一个调节器Gd，其输出迭加到电流指令上，从而实现自动母线均压。
但这种方案中，均压环会影响输入电流指令，从而使电流指令有畸变，最终使输入电流的THD(失真度)加大；电流内环的调节器参数变化也会影响均压环的增益，均压环的参数也要相应调整。
发明内容：
本发明的目的就是为了解决以上问题，提供一种半桥型PFC母线均压控制方法及装置，消除均压环和电流环之间的相互干扰。
为实现上述目的，本发明提出一种半桥型PFC母线均压控制方法，包括：
产生原始占空比信号的步骤；
求取正负母线电压差的步骤；
将正负母线电压差进行比例—积分—微分变换得到占空比补偿量信号的步骤；
其特征在于还包括如下步骤：
将原始占空比信号和占空比补偿量信号叠加，得到占空比信号的步骤；
将所述占空比信号脉宽调制，产生控制上下桥臂开关器件两个驱动信号的步骤。
为实现上述目的，本发明还提出一种半桥型PFC母线均压控制装置，包括：
用于产生原始占空比信号的装置；
用于求取正负母线电压差的装置；
用于将正负母线电压之差变换为占空比补偿量信号的均压调节器；
其特征是所述半桥型PFC母线均压控制装置还包括：
用于将原始占空比信号和占空比补偿量信号叠加，并产生占空比信号的加法器；
用于将占空比信号进行脉宽调制，产生控制上下桥臂开关器件两个驱动信号的脉宽调制装置。
由于采用了以上的方案，实破了“要均压就要均流、从而就要修正电流指令”的习惯模式，把均压环的输出直接迭加到占空比信号上，通过修正占空比，修改桥臂中点的电位，从而间接修正输入电流，而不是把均压环的输出接到电流环的前端。这样，即使有电流环存在，电流内环的调节器参数调整是独立的，其变化不会影响均压环的增益，均压环的参数只需一次调整好，以后无须在根据电流环增益响应做相应调整。而均压环也不会影响电流环，从而使电流指令畸变小，输入电流的THD不会因为有了均压环而变大。
附图说明：
图1是半桥PFC主电路拓朴示意图。
图2是常规PFC电路控制示意图。
图3是现有技术中的一种正负母线均压控制方案示意图。
图4是本发明改进的正负母线均压控制方案示意图。
图5是利用本发明均压控制方案的一个半桥PFC电路示意图。
其中：Sp、Sn——上下桥臂的开关器件；
Dp、Dn——开关器件的反并联二极管；
Gp、Gn——开关器件的驱动信号(控制信号)；
Cp、Cn——正负母线的滤波电容；
L——PFC升压电感；
iL——输入电感电流；
Vs——输入市电电压；
+BUS、-BUS——正负母线；
Vo——输出电压；
Vp、Vn——正负母线电容电压；
R——输出负载；
Vr——输出电压指令值；
Gv——电压调节器；
ir——输入电感电流的指令值；
Gc——电流调节器；
PWM——脉宽调制电路；
Gd——均压调节器。
Gd′——均压调节器。
do——原始占空比信号
d——占空比信号
db——占空比补偿量信号
Vr：输出电压指令值(信号)
Ve：输出电压误差(信号)
imr：输入电流幅值指令(信号)
ie：输入电流误差(信号)
Vsen：母线电压检测(传感)器
id：输入电感电流的指令值的补偿量
具体实施方式：
下面通过具体的实施例并结合附图对本发明作进一步详细的描述。
一个改进的正、负母线均压控制方案见图4。它包括电流调节器Gc、电压调节器Gv、均压调节器Gd′、脉宽调制电路PWM。脉宽调制电路PWM的输入端接占空比信号d，输出端有两路，分别作为驱动信号Gp、Gn接至上下桥臂的开关器件Sp、Sn的控制端。
电压调节器Gv为外环，其输入端与比较器相连，该比较器的输入端分别接输出电压Vo(Vo＝Vp+Vn)和输出电压指令值Vr；电压调节器Gv的输出(imr)与输入市电电压Vs(或者与输入市电同步的正弦信号Vs)相乘后作为输入电感电流值的指令值ir接电流环前端的比较器。
电流调节器Gc为内环，其输入端与比较器相连，该比较器的输入端分别接输入电感电流iL和输入电感电流值的指令值ir；电流调节器Gc的输出端得到原始占空比信号do。
均压调节器Gd′的输入端接正负母线电压之差Vd，由于正负母线上可能有纹波，因此这个电压差可以用正负母线电压在一个工频周期内的平均值之差，均压调节器Gd′的输出端为占空比补偿量信号db，它直接迭加到原始占空比信号do上，得到最终的占空比信号d。
其具体应用例见图5，其中虚线部分即为控制部分，该部分完全由DSP(数字信号处理器)完成，Gv和过程Gc都采用PID控制器。由于改用DSP完成均压，因此对于用DSP进行控制的UPS来说，不增加任何成本，且可靠性提高。
可见，本发明是把均压环输出直接迭加到占空比信号d上(电流环的输出)，而不是迭加到电流环的指令。其优点在于：
1、均压环不会影响输入电流指令，从而使电流指令畸变小，输入电流的THD不会有了均压环而变大；
2、电流内环的调节器参数调整是独立的，其变化不会影响均压环的增益，均压环的参数只需一次调整好，以后无须在根据电流环增益响应做相应调整。

Claims (7)

1、半桥型PFC母线均压控制方法，包括以下步骤：
产生原始占空比信号(do)的步骤；
求取正负母线电压差(Vd)的步骤；
将正负母线电压差(Vd)进行比例-积分-微分变换得到占空比补偿量信号(db)的步骤；
其特征在于还包括如下步骤：
将原始占空比信号(do)和占空比补偿量信号(db)叠加，得到占空比信号(d)的步骤；
将所述占空比信号(d)脉宽调制，产生控制上下桥臂开关器件(Sp、Sn)两个驱动信号(Gp、Gn)的步骤。
2、如权利要求1所述的半桥型PFC母线均压控制方法，其特征是：所述原始占空比信号(do)由输入电感电流(iL)与输入电感电流值的指令值(ir)相减，并将所得误差(ie)经比例-积分-微分变换得到。
3、如权利要求2所述的半桥型PFC母线均压控制方法，其特征是：所述输入电感电流值的指令值(ir)由输出电压(Vo)与输出电压指令值(Vr)相减，所得误差(Ve)经比例-积分-微分变换，再和一个与输入市电电压(Vs)同相位的正弦信号相乘后得到。
4、如权利要求1或2或3所述的半桥型PFC母线均压控制方法，其特征是：所述正负母线电压之差(Vd)是指上下母线电压在一个工频周期内的平均值之差。
5、半桥型PFC母线均压控制装置，包括：
用于产生原始占空比信号(do)的装置；
用于求取正负母线电压差(Vd)的装置；
用于将正负母线电压之差(Vd)变换为占空比补偿量信号(db)的均压调节器(Gd′)；
其特征是所述半桥型PFC母线均压控制装置还包括：
用于将原始占空比信号(do)和占空比补偿量信号(db)叠加，并产生占空比信号(d)的加法器；
用于将占空比信号(d)进行脉宽调制，产生控制上下桥臂开关器件(Sp、Sn)两个驱动信号(Gp、Gn)的脉宽调制装置(PWM)。
6、如权利要求5所述的半桥型PFC母线均压控制装置，其特征是：所述用于产生原始占空比信号(do)的装置包括：
用于将输出电压(Vo)与输出电压指令值(Vr)相减得到输出电压误差值(Ve)的减法装置；
用于将上述输出电压误差值(Ve)进行比例-积分-微分变换后得到输入电流幅值指令值(imr)的电压调节器(Gv)；
用于将输入电流幅值指令值(imr)与一个与输入市电电压(Vs)同相位的正弦信号相乘后得到输入电感电流值的指令值(ir)的乘法装置；
用于将输入电感电流(iL)与输入电感电流值的指令值(ir)相减得到输入电流误差(ie)的减法装置；
用于将上述输入电流误差(ie)进行比例-积分-微分变换后得到产生原始占空比信号(do)的电流调节器(Gc)。
7、如权利要求6所述的半桥型PFC母线均压控制装置，其特征是：所述均压调节器(Gd′)、电流调节器(Gc)、电压调节器(Gv)都采用比例-积分-微分调节器(PID)组成。
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