WO2011157095A1

WO2011157095A1 - 一种改进功率因数校正控制特性的方法及装置

Info

Publication number: WO2011157095A1
Application number: PCT/CN2011/074347
Authority: WO
Inventors: 鲍胜华; 张前; 郭晓亮
Original assignee: 中兴通讯股份有限公司
Priority date: 2010-06-13
Filing date: 2011-05-19
Publication date: 2011-12-22
Also published as: CN101867283B; CN101867283A

Description

一种改进功率因数校正控制特性的方法及装置技术领域

本发明涉及功率因数校正（PFC, Power Factor Correction )技术，特别是指一种改进 PFC控制特性的方法及装置。背景技术

目前，大多数交流或直流变换器都具有主动式 PFC的功能，从而使功率因数大大提高，并且在技术的实现上也较为成熟，最常用的 PFC方法按照电流正弦的调制方式可分为直接式和间接式。但是，由于 PFC的电压环带宽小于 20Hz，因而造成 PFC的动态响应特性较差，进而造成环路的稳定性较差。

现有技术中，改善 PFC控制特性的方法主要有输入电压前馈方法和控制增益非线性补偿方法。一般，输入电压前馈方法主要用于直接式 PFC中，控制增益非线性补偿方法主要用于间接式 PFC中。但是，这两种方法只能在一定程度上改善 PFC的控制特性，并不能使 PFC的输入与输出完全呈线性关系，也就是说，输入电压前馈方法和控制增益非线性补偿方法并不能获得非常好的环路稳定性及动态响应特性。发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种改进 PFC控制特性的方法及装置，能更好地改善 PFC的环路稳定性及动态响应特性。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

本发明提供了一种改进 PFC控制特性的方法，该方法包括：

在 PFC 的控制电路中增设控制环节，所述控制环节实现的运算为： F{v_comv „ = ^ \ 其中，表示 PFC中的电压环的比例积分调节器（PI ) 的调节输出，表示输入电压的有效值， n表示 PFC的类型对应的指数； PFC 运行时，通过包含所述控制环节的控制电路实现控制增益的线性化。

上述方案中，当 PFC的类型为直接式 PFC时，所述 n的取值为 2; 当 PFC的类型为间接式 PFC时，所述 n的取值为 3。

上述方案中，所述实现控制增益的线性化，为：

通过包含所述控制环节的控制电路，实现在一定负载的条件下， AVcomp与 Δ½^呈线性关系；其中， Vcomp表示 PFC的 PI的输入变化量， △V。W表示 PFC的电压输出变化量。

本发明还提供了一种改进 PFC控制特性的装置，该装置包括：设置模块及控制电路；其中，

设置模块，用于在 PFC的控制电路中增设控制环节；所述控制环节实现的运算为： ^ , _{s )} = ；其中， V_ramp表示 PFC 中的电压环的 PI的调节输出， _s表示输入电压的有效值， n表示 PFC的类型对应的指数；

控制电路，用于被设置模块增设控制环节，并在 PFC运行时，实现控制增益的线性化。

上述方案中，所述装置进一步包括主电路，用于使功率因数等于 1。上述方案中，当 PFC的类型为直接式 PFC时，所述控制环节包括两个乘法器及一个除法器，两个乘法器的输出端分别与除法器的输入端相连接。

上述方案中，当 PFC的类型为间接式 PFC时，所述控制环节包括三个乘法器及一个除法器，第一个乘法器的输出端与第二个乘法器的输入端相连接，第二个乘法器的输出端与除法器的输入端相连接，第三个乘法器的输出端与除法器的输入端相连接。

上述方案中，在实现控制增益的线性化时，所述控制电路具体用于：实现在一定负载的条件下，与 AVout呈线性关系。

本发明提供的改进 PFC控制特性的方法及装置，在 PFC的控制电路中增设控制环节，并且，不同类型的 PFC的控制环节所实现的运算不同； PFC 运行时，通过包含所述控制环节的控制电路实现控制增益的线性化，如此，能明显改善 PFC的动态响应特性及环路的稳定性，进而为变换器能设置较低的总谐波失真（THD , Total Harmonic Distortion )提供保证。附图说明

图 1为本发明改进 PFC控制特性的方法流程示意图；

图 2为本发明实施例一的电路原理示意图；

图 3为本发明实施例二的电路原理示意图；

图 4为本发明改进 PFC控制特性的装置结构示意图。具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明再作进一步详细的说明。

本发明改进 PFC控制特性的方法，如图 1所示，包括以下步骤：步骤 101 : 在 PFC的控制电路中增设控制环节，所述控制环节实现的运算为： F(V _p ,V ) = ; 其中， l_∞mp表示 PFC中的电压环的 PI的调节输出， V皿表示输入电压的有效值， M表示 PFC的类型对应的指数；当 PFC的类型为直接式 PFC时，的取值为 2; 当 PFC的类型为间接式 PFC时， n 的取值为 3 , 之后执行步骤 102;

这里，增设控制环节的理论依据为：

依据自动控制理论，当 PFC的输入与输出成唯一的对应关系，且最好呈线性关系时， PFC的环路具有较好的稳定性及动态响应特性。

步骤 102: PFC运行时，通过包含所述控制环节的控制电路实现控制增益的线性化；

这里，所述控制增益是指 PFC的输出与输入的比值；

所述实现控制增益的线性化，具体为：

通过包含所述控制环节的控制电路，可以实现在一定负载的条件下， AVcomp与 Δ½ ^呈线性关系，与输入的电压无关， /Wcomp表示 PFC的 PI的输入变化量， Δν_0Μί表示 PFC的电压输出变化量，即： PFC的输入与输出呈线性关系，即可实现控制增益的线性化；所述控制增益的线性化就是指 PFC 的输出与输入的比值为一个常数。

下面结合实施例对本发明再作进一步详细的说明。

实施例一：

本实施例基于 UC3854的 PFC或类似直接式 PFC, 具体实施方式在电压环输出增加本发明所述的控制环节。如图 2所示，整个 PFC电路包括：方框 A1表示的主电路和方框 B1表示的控制集成电路（ IC )。本发明的控制环节主要在控制 IC部分实施，具体由 U2、 U3、 U4三部分组成；其中， U2 和 U3为乘法器， U4为除法器。 Ul、 U5以及 U6为此类型 PFC固有的控制环节，其中， U1为电压环的 PI调节器， U5为电流环的 PI调节器， U6为驱动脉冲产生环节。

如图 2所示，各个控制环节之间的具体连接方式为： PFC的输出电压釆样（ V_out )和电压给定信号（ V_ref )经过 U1的 PI运算环节处理后， U1的输出同时连接到 U2的两个输入端；交流电压的有效值信号（ V )直接连接到 U3的两个输入端， U3的输出信号和 U2的输出信号直接连接到 U4的两个输入端， U4的输出和电流采样信号作为 U5的输入进行 PI调节运算， U5的输出送至 U6，产生驱动脉冲信号，脉冲信号控制开关管 VT1的通断。其中，可以采用平均值信号代替 V„„₃；这里， U2的作用是：将 U1的 PI运算环节处理后的输出信号相乘，得到 „ ，即： U2的输出信号为。„ ， U3 的作用是：将交流电压的有效值信号相乘，得到 _s ² , 即： U3 的输出信号为 _Vm ， U4的作用是：将 U2与 U3的输出信号相除，得到¹ ，即： U4的输出信号为 ^V 7₂ 。下面对公式进行推导，以证明使用本发明的控制环节可以实现控制增益的线性化。

直接式 PFC的基础控制公式为：

两边乘以并移项，得

V ² - F(V V )

一 in 、 comp， rms , ( 2 )

'·" . ^L— R,

在时间内两边积分，则

「v„ . i_L .dt = rd ，u ( 3 ) 其中， R_s为 PFC的电流检测电阻， V_in为整流桥输出、 PFC的直接输入电压，为 PFC的电感电流。

如果忽略 PFC电感的高频部分，且假设功率因数为 1，则无论对于平均电流或值电流，依据输入输出功平衡原则，并考虑到效率，则

其中， ^为某稳态点的等效负载电阻，为比例系数；考虑到电压环的带宽一般小于 20Hz，因此，当 Δί≥50««时，则近似有下面的等式成立：「w„ V , ―， ₂ rw F(U -■dt ( 5 )

R 将^ ,V_{ms )} = 代入公式（5 )，得

rms

从公式（ 6 )中可以看出，在负载电阻一定时，即： R_s—定时， Δ^_Μί) o< AV_0U[ 即： Δ½:ο 与 Δ Vo«i呈线性关系。

实施例二：

本实施例基于 ICE1PCS01 IR1150或类似间接式 PFC, 具体实施方式在电压环输出增加本发明所述的控制环节。如图 3所示，整个 PFC电路包括：方框 A2表示的主电路部分和方框 B2表示的控制 IC。本发明的措施主要在控制 IC部分实施，具体由 U2 U3 U4 U5四部分组成；其中， U2 U3 U4为乘法器， U5为除法器。 U1及 U6为此类型 PFC固有的控制环节，其中， U1为电压环的 PI调节器， U6为驱动脉冲产生环节；这里， U2的作用是：将 U1的 PI运算环节处理后的输出信号相乘，得到^。„ , 即： U2的输出信号为即： U2的输出信号为\ , U3的作用是：将 U1的 PI 运算环节处理后的输出信号与 U2的输出信号相乘，得到 U4的作用是：将交流电压的有效值信号相乘，得到，即： U4的输出信号为 ,

U5的作用是：将 U3与 U4的输出信号相除，得到 ^V™»^/ ₂ , 即： U5的输 γ ³ /

出信号为，/ ₂ 。

/ ^ rms

如图 3所示，各个控制环节之间的具体连接方式为： PFC输出电压釆样（ V。„_f )和电压给定信号（ ) 经过 U1的 PI运算环节处理后， U1的输出同时连接到 U2的两个输入端和 U3的一个输入端， U2的输出连接到 U3 的另外一个输入端；交流电压的有效值信号（ V )直接连接到 U4的两个输入端， U4的输出信号和 U3的输出信号直接连接到 U5的两个输入端， U5 的输出送至 U6, 进行逻辑处理和产生驱动脉沖信号，脉冲信号控制开关管 VT1的通断。其中，可以采用平均值信号代替 V_ms

下面对公式进行推导，以证明使用本发明的控制环节可以实现控制增的益线性化。

ICE1PCS01这种类型 PFC的基础控制公式为：

I_L =k'd ( 7 ) 两边乘以 R_S , 对于 ICE1PCS01这种类型的 PFC, 则有=^ V,替换掉

― , Λ"3

d 4亏

^L— ^s— V

两边乘以并移项，在 Δ时间内两边积分，则

r _n .i_L._dt= r n ) ( 9 ) 其中， J为负占空比，定义^ 为 PFC的电流检测电阻，为

V

整流桥输出 PFC的直接输入电压，为 PFC的电感电流。

如果忽略 PFC电感的高频部分，且假设功率因数为 1, 则无论对于平均电流或值电流，依据输入输出功率平衡原则，并考虑到效率，则

其中， ^为某稳态点的等效负载电阻， ^为比例系数；考虑到电压环的带宽一般小于 20Hz，因此，当 Ai≥50ms时，则近似有下面的等式成立： ( 11 )

将 F(U™)= 代入公式（11), 得

从公式（ 12)可以看出，在负载电阻一定时，即： R₃—定时， AV_C AVcomp与 Δ 0Μί呈线性关系。

IR1150这种类型 PFC的基础控制公式为：

F(V ,V )=

R 定义 R =^，替换掉 R , 则

V„„_T R ■V,,

F(V ,V ) (14)

V,.

在时间内两边积分，则

其中，为 PFC变换器等效电阻， R_S为 PFC的电流检测电阻，为整流桥输出、 PFC的直接输入电压， /_t为 PFC的电感电流。

如果忽略 PFC电感的高频部分，且假设功率因数为 1, 则无论对于平均电流或是峰值电流，依据输入输出功率平衡原则，并考虑到效率，则

其中，为某稳态点的等效负载电阻，为比例系数；考虑到电压环的带宽一般小于 20Hz, 因此，当 ≥50m †, 并将 0 。,\^)= 代入公式（16)，则近似有下面的等式成立,

从公式（17 )可以看出，在负载电阻一定时，即： R -定时，

即： AVcomp与 Δ 呈线性关系。本发明所述控制环节的实现方式可以采用数字信号处理器的数字控制，还可以采用模拟电路。

本发明提供的方案，不仅适用于传统的 PFC模式，还可适用于交错 PFC 或无桥 PFC。按照电流类型分类来说，本发明提供的方案既可适用于峰值电流型 PFC, 还可适用于平均电流型 PFC; 按照电感电流类型分类来说，本发明提供的方案不仅适用于电感电流连续模式的 PFC，还可适用于电感电流断续模式的 PFC; 按照供电方式分类来说，本发明提供的方案不仅适用于单相 PFC, 还可适用于三相 PFC。

基于上述方法，本发明还提供了一种改进 PFC控制特性的装置，如图 4所示，该装置包括：设置模块 41及控制电路 42; 其中，

设置模块 41 , 用于在 PFC的控制电路 42中增设控制环节；所述控制环节实现的运算为： F(V ^_{ms )} = ；其中，。_mp表示 PFC 中的电压环的 PI的调节输出， V 表示输入电压的有效值， n表示 PFC的类型对应的指数；当 PFC为直接式 PFC时， n的取值为 2; 当 PFC为间接式 PFC时， n的取值为 3;

控制电路 42，用于被设置模块 41增设控制环节，并在 PFC运行时，实现控制增益的线性化。

其中，所述装置还可以包括主电路，用于使功率因数等于 1。

其中，当 PFC的类型为直接式 PFC时，所述控制环节包括两个乘法器及一个除法器，两个乘法器的输出端分别与除法器的输入端相连接；当 PFC 的类型为间接式 PFC时，所述控制环节包括三个乘法器及一个除法器，第一个乘法器的输出端与第二个乘法器的输入端相连接，第二个乘法器的输出端与除法器的输入端相连接，第三个乘法器的输出端与除法器的输入端相连接。

所述控制电路 42，具体用于：用于被设置模块 41增设控制环节，并在 PFC运行时，实现在一定负载的条件下， AVcomp与 Δ ¾ΜΓ呈线性关系。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

权利要求书

1、一种改进功率因数校正（PFC )控制特性的方法，其特征在于，该方法包括：

在 PFC 的控制电路中增设控制环节，所述控制环节实现的运算为：

F(V_comp ,V_rms ) ^ ^ ; 其中， V_∞mp表示 PFC中的电压环的比例积分调节器（PI )

V_rms

的调节输出， _ms表示输入电压的有效值， n表示 PFC的类型对应的指数； PFC 运行时，通过包含所述控制环节的控制电路实现控制增益的线性化。

2、根据权利要求 1所述的方法，其特征在于，

当 PFC的类型为直接式 PFC时，所述 n的取值为 2;

当 PFC的类型为间接式 PFC时，所述 n的取值为 3。

3、根据权利要求 1或 2所述的方法，其特征在于，所述实现控制增益的线性化，为：

通过包含所述控制环节的控制电路，实现在一定负载的条件下， AVcomp与 o«r呈线性关系；其中， AWomp表示 PFC的 PI的输入变化量， △Vow表示 PFC的电压输出变化量。

4、一种改进 PFC控制特性的装置，其特征在于，该装置包括：设置模块及控制电路；其中，

设置模块，用于在 PFC的控制电路中增设控制环节；所述控制环节实现的运算为： F(V_rami , _{s )} = ；其中， V_ramp表示 PFC 中的电压环的 PI的调节输出， V 表示输入电压的有效值， n表示 PFC的类型对应的指数；

5、根据权利要求 4所述的装置，其特征在于，

当 PFC的类型为直接式 PFC时，所述 n的取值为 2;

当 PFC的类型为间接式 PFC时，所述 n的取值为 3。

6、根据权利要求 4所述的装置，其特征在于，所述装置进一步包括主电路，用于使功率因数等于 1。

7、根据权利要求 6所述的装置，其特征在于，当 PFC的类型为直接式 PFC 时，所述控制环节包括两个乘法器及一个除法器，两个乘法器的输出端分别与除法器的输入端相连接。

8、根据权利要求 6所述的装置，其特征在于，当 PFC的类型为间接式 PFC 时，所述控制环节包括三个乘法器及一个除法器，第一个乘法器的输出端与第二个乘法器的输入端相连接，第二个乘法器的输出端与除法器的输入端相连接，第三个乘法器的输出端与除法器的输入端相连接。

9、根据权利要求 4至 8任一项所述的装置，其特征在于，在实现控制增益的线性化时，所述控制电路具体用于：

实现在一定负载的条件下， AVcomp与 Δ½ ^呈线性关系。