CN104883060B - 一种面向交错并联pfc的双独立电流环路数字控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向交错并联PFC的双独立电流环路数字控制方法，双独立电流环路包括采样模块、选择判断模块、电流环及DPWM模块及电压环，所述选择判断模块具体控制过程是电路初始化，记输入电压最小值及输入电压最大值，采集模块采集PFC主电路输入电压输出到选择判断模块；选择判断模块选择参数V_a和V_b，将输入电压范围分成三段，判断输入电压处于不同的电压段，从而选择不同的环路参数，改善环路特性，使得输入电流有效跟踪输入电压。

Description

一种面向交错并联PFC的双独立电流环路数字控制方法

技术领域

本发明涉及开关电源技术领域，具体涉及一种面向交错并联PFC的双独立电流环路数字控制方法。

背景技术

交错并联PFC是中大功率等级PFC场合应用的首选拓扑，它由两个单相BOOST PFC电路交错并联构成，两路纹波相互抵消，输入的总纹波电流大大减少，简化了滤波器设计，同时交错并联PFC每一相的功率是总功率的一半，便于器件选型及优化。交错并联PFC的环路控制是关键，BOOST拓扑的环路特性与占空比及负载有关，导致宽输入电压范围的PFC环路补偿参数难以整定，低输入电压段的环路控制参数不一定适用高输入电压段。

传统模拟控制电路环路补偿的方法单一，在整个输入电压范围内只有一组环路控制参数，输入电压跳变或切换时，环路会出现不稳定情况，导致输入电流波形畸变，输入电流波形没能有效跟踪输入电压波形，功率因数低，总谐波失真度高。环路特性受负载的影响以及电流采样电阻的功率限制，采样总的输入电流实现电流内环控制往往要降额使用，影响了低压段功率密度的提升。此外，两相开关管及驱动电路不可能完全一样，流过两相的电流有差异，只采样总的输入电流无法实现电流自动平衡。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种面向交错并联PFC的双独立电流环路数字控制方法。

本发明采用如下技术方案：

一种面向交错并联PFC的双独立电流环路数字控制方法，所述双独立电流环路包括依次连接的采样模块、选择判断模块、电流环及DPWM模块，还包括电压环，所述选择判断模块具体控制过程包括如下步骤：

第一步电路初始化，记输入电压最小值为Vin_min，输入电压最大值为Vin_max，采集模块采集PFC主电路输入电压输出到选择判断模块；

第二步选择判断模块选择参数V_a和V_b，将输入电压范围分成三段，85Vac<V_a<V_b<264Vac；

第三步若Vin_min<Vin<＝Va，则选择第一组控制参数；若Va<Vin<＝Vb，则选择第二组控制参数；若Vb<Vin<＝Vin_max，则选择第三组控制参数；否则，返回第一步；

第四步将所选择的控制参数输入到电流环控制器。

所述电流环包括两个独立的电流环控制器，所述两个独立的电流环控制器在同一电压段下电流基准相同并且控制参数相同。

所述电流环控制器还包括一个α调整参数的PID控制器。

所述控制参数是指电流环控制器中的比例系数、积分系数、微分系数及调整参数α。

所述采样模块用于采样输出电压检测信号、输入电压检测信号和每一相开关电流检测信号。

本发明的有益效果：

(1)实现输入电压分段控制，改善了整个输入电压范围内的环路特性；

(2)实现输入电流有效跟踪输入电压，提高功率因数并降低总谐波失真；

(3)采样两相开关电流，采用双电流环路，每个环路单独控制一个相，两个电流环路共用相同的电流基准，实现电流自动平衡；

(4)省去输入电流回路的电流采样电阻，PFC无需降额使用。

附图说明

图1是本发明的工作流程图；

图2是本发明的电流环控制器的结构示意图；

图3是实现本发明数字控制方法的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

一种面向交错并联PFC的双独立电流环路数字控制方法，如图3所示，所述双独立电流环路包括采样模块、选择判断模块、电流环、电压环及DPWM模块。

采样模块采样PFC主电路输入电压、输出电压和开关电流，选择判断模块根据输入电压范围选取不同控制参数，电压环路输出提供电流环基准信号，与开关电流信号产生电流环输入误差信号，电流环路由两个相同的独立电流环控制器构成，产生控制信号送到DPWM模块生成两路驱动信号驱动交错并联PFC开关管。

如图1所示，为本发明控制方法的流程图。为了改善不同输入电压段的环路特性，采样PFC主电路的输入电压Vin，记输入电压最小值为Vin_min，输入电压最大值为Vin_max，Va和Vb将整个输入电压范围分成三段，所述85Vac<Va<Vb<264Vac；判断输入电压范围而选择不同控制参数。若Vin_min<Vin<＝Va，则选择第一组控制参数；若Va<Vin<＝Vb，则选择第二组控制参数；若Vb<Vin<＝Vin_max，则选择第三组控制参数；否则，返回继续。

如图2所示，为实现本发明的适用于交错并联PFC电路的双独产电流控制环路原理图，所述电流环包括两个独立且结构相同的电流环控制器，其包括模数转换模块、PID控制器和数字脉宽调制模块，所述采用双电流环路，检测两相开关电流，每一电流环路单独控制一个相，两个电流环路共用相同的电流基准，实现电流自动平衡。输出电压V_o经过模数转换器后与参考电压作差，误差信号送到比例-积分(PI)调节器产生电压外环输出信号；输入电压V_in经过模数转换器的输入电压检测信号作均方根的平方的倒数运算，运算结果与电压外环输出信号作乘法运算，所得结果与输入电压检测信号送到带有增益K_m的乘法器，产生的结果作为两个电流内环的参考信号；经过模数转换器两相开关电流与电流内环参考信号作差，经过PID控制器，产生的电流内环输出信号送到数字脉宽调制模块，产生数字PWM信号驱动两相开关管，两路数字PWM信号交错控制开关管。

本发明原理：交错并联PFC由BOOST PFC并联构成，BOOST电路特性跟负载及占空比有关。输出功率恒定时，输入电压的改变会影响占空比及输入电流，使得在整个输入电压范围内，环路参数的设置非常困难。交错并联PFC应用方案要求输入电压在很宽范围内满足功率因数校正功能，电压外环控制产生的信号将作为电流内环的参考信号的一部分，故在工频周期内，要求电流内环比较快和电压外环非常慢。电流内环要求快速性，是控制环路补偿的关键，如果参数整定不合理，将实现不了输入电流跟踪输入电压。根据不同输入特性选择不同的环路参数，可以获得良好的环路特性。因为宽输入电压范围的原因，在低压段时输入电流比较大，难以选取电流取样电阻，必须降额使用才能满足要求，且采样输入电流，实现电流自动平衡比较困难。

根据不同输入电压段而选取的控制参数为电流环控制器参数，电流环控制器增加了一个α调整参数的PID控制器，其在数字域的表达式为

其中，K_p、K_i和K_d分别为比例系数、积分系数和微分系数，E(z)为误差信号，U(z)为控制器输出信号。α调整参数的作用是调整零极点位置来改善环路特性。

该控制方法无需采样电阻检测总的输入电流，仅需两个放置于开关管正上方的CT用于检测开关电流。CT检测的电流只是电感电流的上升部分，然而每个电流环路都控制平均电感电流，仍然在PWM导通的中间位置对CT电流信号进行采样，它是一个瞬时值。仅当电流连续时，采样的开关电流才等于PFC平均电感电流，当电流变得不连续时I_s不等于PFC平均电感电流。为了控制平均电感电流，共同适用于CCM和DCM模式下的采样I_s的中间点与开关期间的平均电感电流之间的关系推导如下：

对于稳态运行的BOOST电路来说，根据伏秒平衡法则有

t_a×V_in＝t_b×(V_o-V_in)

其中，t_a为电感电流上升时间，t_b为电感电流下降时间，V_in为输入电压，V_o为输出电压，并假设所有功率器件为理想状况，可以由I_s计算出平均电感电流I_av为

其中，T_s为开关周期，联立上述两个式子获得

利用方程式可以通过瞬时开关电流I_s解释平均电感电流I_av。I_av为期望电流，I_s为电流控制环路的电流基准。检测出真实瞬时开关电流，然后与该基准比较，最后将误差发送至电流控制环路。

对输入电压采样并根据不同电压段调用的不同控制参数给两个电流环路控制器，这两个独立电流环在同一电压段下的控制器参数是一样的；本发明提出的方法就是基于此双独立电流控制环路的，这里还是希望要提到双独立环的控制原理，目前开关电源模拟控制是主导，目前没找到在数字控制上是这样实现的；采用本方法，更多的是改善环路特性，就是通过采样输入电压，根据不同电压段分别提供三组不同的控制参数。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种面向交错并联PFC的双独立电流环路数字控制方法，所述双独立电流环路包括依次连接的采样模块、选择判断模块、电流环及DPWM模块，还包括电压环，其特征在于，所述选择判断模块具体控制过程包括如下步骤：

第一步电路初始化，记输入电压最小值为V_{in_min}，输入电压最大值为V_{in_max}，采样模块采集PFC主电路输入电压输出到选择判断模块；

第二步选择判断模块选择两个参数V_a和V_b，将输入电压范围分成三段，85Vac<V_a<V_b<264Vac；

第三步若V_{in_min}＜V_in≤V_a，则选择第一组控制参数；若V_a＜V_in≤V_b，则选择第二组控制参数；若V_b＜V_in≤V_{in_max}，则选择第三组控制参数；否则，返回第一步；

第四步将所选择的控制参数输入到电流环控制器；

所述电流环控制器还包括一个带α调整参数的PID控制器；

所述电流环包括两个独立的电流环控制器，所述两个独立的电流环控制器在同一电压段下电流基准相同并且控制参数相同；

所述控制参数是指电流环控制器中的比例系数、积分系数、微分系数及调整参数α；

根据不同输入电压段而选取的控制参数为电流环控制器参数，电流环控制器增加了一个带α调整参数的PID控制器，其在数字域的表达式为

<mrow> <mfrac> <mrow> <mi>U</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>z</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <mi>E</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>z</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> <mo>=</mo> <msub> <mi>K</mi> <mi>p</mi> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>K</mi> <mi>i</mi> </msub> <mfrac> <mrow> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <msup> <mi>z</mi> <mrow> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msup> </mrow> <mrow> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <msup> <mi>z</mi> <mrow> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msup> </mrow> </mfrac> <mo>+</mo> <msub> <mi>K</mi> <mi>d</mi> </msub> <mfrac> <mrow> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <msup> <mi>z</mi> <mrow> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msup> </mrow> <mrow> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mi>&amp;alpha;</mi> <mo>&amp;times;</mo> <msup> <mi>z</mi> <mrow> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msup> </mrow> </mfrac> </mrow>

其中，K_p、K_i和K_d分别为比例系数、积分系数和微分系数，E(z)为PID控制器的误差信号，U(z)为PID控制器输出信号，α调整参数的作用是调整零极点位置来改善环路特性。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述采样模块用于采样输出电压检测信号、输入电压检测信号和每一相开关电流检测信号。