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CN112117900B - 谐波互消并联控制的并联定开关频率crm和dcm升压pfc变换器 - Google Patents

谐波互消并联控制的并联定开关频率crm和dcm升压pfc变换器 Download PDF

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CN112117900B
CN112117900B CN202010820922.2A CN202010820922A CN112117900B CN 112117900 B CN112117900 B CN 112117900B CN 202010820922 A CN202010820922 A CN 202010820922A CN 112117900 B CN112117900 B CN 112117900B
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Abstract

本发明公开了一种谐波互消并联控制的并联定开关频率CRM和DCM升压PFC变换器，包括主功率电路和控制电路，其中控制电路包括输入电压采样电路、输出电流采样电路、输出电压采样电路、DSP模块、隔离电路、L6561芯片和隔离驱动电路；DSP模块的ADC子模块采集输入电压、输出电流和输出电压数据，数据处理后生成电感电流峰值包络信号，最终控制第二开关管Qb_CRM，使第二主电感Lb_CRM的电流工作在CRM模式、频率保持固定且流过的功率可控；由DSP的ePWM模块输出占空比固定的PWM波，最终控制第一开关管Qb_DCM，使第一主电感Lb_DCM的电流工作在DCM模式且开关信号占空比保持固定。本发明使工作在CRM模式下的PFC变换器开关频率保持固定，同时提高了PFC变换器的功率因数。

Description

谐波互消并联控制的并联定开关频率CRM和DCM升压PFC变 换器
技术领域
本发明涉及电能变换装置的交流-直流变换器技术，特别是一种谐波互消并联控制的并联定开关频率CRM和DCM升压PFC变换器。
背景技术
CRM Boost PFC变换器因其有开关管零电流开通，升压二极管无反向恢复，能实现单位功率因数等优势，在中小功率场合得到了广泛的应用。在传统定导通时间控制下，CRMBoost PFC变换器开关频率在工频周期内变化范围很大，不利于电感设计，也导致EMI频谱规律难以寻找，在设计EMI滤波器时往往需要多次仿真和反复的实验调试。为解决开关频率在工频周期内变化范围大的问题，论文《Critical Conduction Mode Boost PFCConverter With Fixed Switching Frequency Control》提出了一种准定开关频率控制CRM Boost PFC变换器，通过搭建前馈电路给出指定的基准电流包络形状，改变导通时间实现了开关频率的固定，但是定开关频率控制下输入电流中谐波含量较高，PF值低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种谐波互消并联控制的并联定开关频率CRM和 DCM升压PFC变换器，变换器一条支路工作在定开关频率CRM模式，另一条支路工作在定占空比DCM模式，使变换器开关频率保持固定的同时，PF值接近于1。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种谐波互消并联控制的并联定开关频率CRM和DCM升压PFC变换器，包括主功率电路和控制电路，其中控制电路包括输入电压采样电路、输出电流采样电路、输出电压采样电路、DSP模块、隔离电路、L6561芯片和隔离驱动电路；所述主功率电路分别与输入电压采样电路、输出电流采样电路、输出电压采样电路、L6561芯片和隔离驱动电路连接，DSP 模块分别与输入电压采样电路、输出电流采样电路、输出电压采样电路、隔离电路和隔离驱动电路连接，隔离电路与L6561芯片连接；
DSP模块采集输入电压、输出电流和输出电压数据，并进行处理后输出电感电流峰值包络信号，经隔离电路隔离后送到L6561芯片，从而控制第二开关管 Qb_CRM，使第二主电感Lb_CRM的电流工作在CRM模式、频率保持固定且流过的功率可控；由其ePWM模块输出占空比固定的PWM波，再由隔离驱动电路产生驱动信号控制第一开关管Qb_DCM，使第一主电感Lb_DCM的电流工作在 DCM模式且开关信号占空比保持固定；最终通过控制第二支路的输出功率与总输出功率的比值，实现完全消去输入电流中三次谐波，达到在CRM工作模式下开关频率保持固定的同时实现高功率因数的目的。
进一步地，所述主功率电路包括输入电压源vin、EMI滤波器、二极管整流电路RB、LC滤波器、第一主电感Lb_DCM、第二主电感Lb_CRM、零电流检测绕组 Lz、零电流检测电阻Rz、第一开关管Qb_DCM、第二开关管Qb_CRM、开关管电流采样电阻Rs、第一二极管Db_DCM、第二二极管Db_CRM、输出电容Co、输出电流采样电阻Rso、和负载RL；所述输入电压源vin与EMI滤波器输入端口连接，EMI 滤波器输出端口与整流桥RB的输入端口连接，整流桥RB的输出负端口与LC 滤波器的输入负端口相连，整流桥RB的输出正端口与LC滤波器的输入正端口相连，LC滤波器的输出正端口与第一主电感Lb_DCM的一端和第二主电感Lb_CRM的一端相连，LC滤波器的输出负端口与开关管电流采样电阻Rs、第一开关管 Qb_DCM、输出电容Co和负载RL的一端连接，LC滤波器的负端口为参考电位零点；第一主电感Lb_DCM的另一端与第一开关管Qb_DCM的另一端和第一二极管 Db_DCM的阳极连接，第二主电感Lb_CRM的另一端与第二开关管Qb_CRM的一端和第二二极管Db_CRM的阳极连接，零电流检测绕组Lz与第二主电感Lb_CRM同向绕在同一磁芯上，零电流检测绕组Lz一端与参考电位零点相连，零电流检测绕组 Lz另一端与零电流检测电阻Rz的一端相连，第二开关管Qb_CRM的另一端与开关管电流采样电阻Rs的另一端相连，第一二极管Db_DCM的阴极与第二二极管 Db_DCM的阴极、输出电容Co的另一端和输出电流采样电阻Rso的一端相连，输出电流采样电阻Rso的另一端与负载RL的另一端相连；所述主功率电路的输入电压源vin的两端与输入电压采样电路连接，主功率电路的输出电流采样电阻Rso的两端与输出电流采样电路连接，主功率电路的负载RL的两端与输出电压采样电路连接，主功率电路的零电流检测电阻Rz的一端、第二开关管Qb_CRM的门极端和开关管电流采样电阻Rs的一端均与L6561芯片连接，主功率电路的第一开关管 Qb_DCM的门极端与隔离驱动电路连接。
进一步地，所述控制电路包括输入电压采样电路、输出电流采样电路、输出电压采样电路、DSP模块、隔离电路、L6561芯片和隔离驱动电路；所述输入电压采样电路的两输入端口分别与主功率电路的电压源vin两端口相连；输出电流采样电路的两输入端口分别与主功率电路的输出电流采样电阻Rso两端口相连；输出电压采样电路的两输入端口分别与主功率电路的负载RL两端口相连。输入电压采样电路的输出端口和DSP模块的第一模数转换模块ADC1相连；输出电流采样电路的输出端口和DSP模块的第二模数转换模块ADC2相连；输出电压采样电路的输出端口和DSP模块的第三模数转换模块ADC3相连；DSP模块的输出端口DAC与隔离电路的输入端口相连；DSP模块的输出端口ePWM与隔离驱动电路的输入端口相连；隔离电路的输出端口与L6561芯片的端口MULT 相连；L6561芯片的端口ZCD与零电流检测电阻Rz相连；L6561芯片的端口 COMP与+3V电压源相连；L6561芯片的端口CS与开关管电流采样电阻Rs和第二开关管Qb_CRM的连接的一端相连；L6561芯片的端口GD与第二开关管Qb_CRM的门极端相连；隔离驱动电路的输出端与第一开关管Qb_DCM的门极端相连。
进一步地，所述DSP模块包括第一模数转换模块ADC1、第二模数转换模块ADC2、第三模数转换模块ADC3、第一低通滤波模块、第二低通滤波模块、第三低通滤波模块、幅值计算模块、CRM支路电感电流峰值包络参考值 viLb_CRM_pk_ref计算模块、数字PI模块、锁相环模块、数模转换模块DAC和增强型脉宽调制模块ePWM；所述第一模数转换模块ADC1与输入电压采样电路和第一低通滤波模块连接，第一低通滤波模块与幅值计算模块和锁相环模块连接，数模转换模块DAC与锁相环模块和隔离电路连接，第二模数转换模块ADC2与输出电流采样电路和第二低通滤波模块连接，CRM支路电感电流峰值包络参考值viLb_CRM_pk_ref计算模块与幅值计算模块、第二低通滤波模块、第三低通滤波模块和锁相环模块连接，第三模数转换模块ADC3与输出电压采样电路和第三低通滤波模块连接，数字PI模块与第三低通滤波模块和增强型脉宽调制模块ePWM 连接，增强型脉宽调制模块ePWM与隔离驱动电路连接；
第一模数转换模块ADC1将采集到的输入电压信号、第二模数转换模块ADC2将采集到的输出电流信号、第三模数转换模块ADC3将采集到的输出电压信号转换成数字信号输入到DSP模块中，输入电压信号经过第一低通滤波模块得到输入电压的值Vmsinωt，输入电压的值Vmsinωt经幅值计算模块得到输入电压幅值Vm，输出电流信号经过第二低通滤波模块得到输出电流的值Io，输出电压信号经过第三低通滤波模块得到输出电压的值Vo；利用输入电压幅值Vm、输出电流的值Io、输出电压的值Vo计算完全消去三次谐波时CRM支路电感电流峰值包络参考值viLb_CRM_pk_ref，计算公式为
Figure BDA0002634379030000041
其中，Vm为输入电压幅值，Vo为输出电压，ω为输入电压角频率，t为时间，Io为输出电流，Rs为开关管电流采样电阻，kMULT_CS为L6561芯片MULT端口到 CS端口增益的倒数，COMP端口输入+3V时kMULT_CS为3.375；
CRM支路电感电流峰值包络参考值viLb_CRM_pk_ref经锁相环模块与输入电压保持相同的相位后从DAC输出；同时，输出电压的值Vo经过数字PI模块与增强型脉宽调制模块ePWM后输出ePWM波。
进一步地，所述输入电压采样电路包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第一霍尔电压传感器、第一运算放大器IC1和第二运算放大器IC2，第一电阻R1的一端口与输入电压采样电路一输入端口相连，第一电阻R1的另一端口与第一霍尔电压传感器“+”输入端口相连，第一霍尔电压传感器“-”输入端口与输入电压采样电路另一输入端口相连，第一霍尔电压传感器“-”输出端口与第二电阻的R2的一端口和参考地相连，第一霍尔电压传感器“+”输出端口与第二电阻的R2的另一端口和第一运算放大器IC1 的“+”端口相连，第一运算放大器IC1的“-”端口和第一运算放大器IC1的输出端口和第五电阻R5的一端口相连，第五电阻R5的另一端口与第二运算放大器IC2 的“-”端口和第三电阻R3的一端口相连，第二运算放大器IC2的“+”端口与第四电阻R4的一端口和第六电阻R6的一端口相连，第四电阻R4的另一端口与参考地相连，第六电阻R6的另一端口与+2.5V电压源相连，第二运算放大器IC2的输出端口与第三电阻R3的另一端口和输入电压采样电路的输出端口相连。其特征在于：所述输出电流采样电路包括第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第一隔离运算放大器和第三运算放大器IC3，第一隔离运算放大器的两输入端口与输出电流采样电路两输入端口相连，第一隔离运算放大器的输出“VOUTN”端口与第九电阻R9的一端口相连,第九电阻R9的另一端口与第三运算放大器IC3的“+”端口和第十电阻R10的一端口相连，第十电阻R10的另一端口与参考地相连，第一隔离运算放大器的输出“VOUTP”端口与第七电阻R7的一端口相连，第七电阻R7的另一端口与第三运算放大器IC3的“-”端口和第八电阻R8的一端口相连，第八电阻R8的另一端口第三运算放大器IC3的输出端口和输出电流采样电路的输出端口相连。其特征在于：所述输出电压采样电路包括第十一电阻R11、第十二电阻R12、第十三电阻R13、第十四电阻R14、第十五电阻R15、第十六电阻R16、第二霍尔电压传感器、第四运算放大器IC4和第五运算放大器 IC5，电阻R16的一端口与输出电压采样电路一输入端口相连，第十六电阻R16的另一端口与第二霍尔电压传感器“+”输入端口相连，第二霍尔电压传感器“-”输入端口与输出电压采样电路另一输入端口相连，第二霍尔电压传感器“-”输出端口与第十五电阻的R15的一端口和参考地相连，第二霍尔电压传感器“+”输出端口与第十五电阻的R15的另一端口和第五运算放大器IC5的“+”端口相连，第五运算放大器IC5的“-”端口和第五运算放大器IC5的输出端口和第十三电阻R13的一端口相连，第十三电阻R13的另一端口与第四运算放大器IC4的“-”端口和第十四电阻R14的一端口相连，第四运算放大器IC4的“+”端口与第十一电阻R11的一端口和第十二电阻R12的一端口相连，第十二电阻R12的另一端口与参考地相连，第十一电阻R11的另一端口与+2.5V电压源相连，第四运算放大器IC4的输出端口与第十四电阻R14的另一端口和输出电压采样电路的输出端口相连。
进一步地，所述DSP模块可使用TMS320F28377或TMS320F28335等MCU 芯片，所述隔离电路可以使用ISO124U等型号的隔离芯片，所述隔离驱动电路可选用TLP250等型号的驱动芯片。
进一步地，所述第一电压霍尔传感器、第二电压霍尔传感器可以选用 HNV025等型号的电压霍尔传感器，所述第一运算放大器、第二运算放大器、第三运算放大器、第四运算放大器和第五运算放大器可选用TL074、TL072、LM358、 LM324或LM321等型号的运算放大器，所述第一隔离运算放大器可选用 AMC1200BDWVR等型号的隔离运算放大器。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)实现了工作在CRM模式下的PFC变换器开关频率保持固定。
(2)使用谐波互消并联控制的方式，可以在整个90V～264V AC输入电压范围内提高变换器的功率因数接近于1。
附图说明
图1是本发明定谐波互消并联控制的并联定开关频率CRM和DCM升压 PFC变换器的主功率电路结构及控制结构示意图。
图2是本发明实施例中DSP模块的算法流程图。
图3是本发明实施例中并联定开关频率CRM和DCM Boost PFC变换器示意图。
图4是本发明实施例中一个开关周期内并联定开关频率CRM和DCM Boost PFC变换器的驱动信号、电感电流波形图，其中(a)为CRM支路的驱动信号和电感电流波形图，(b)为DCM支路的驱动信号和电感电流波形图。
图5是本发明实施例中并联变换器中CRM支路输入电流3、5、7次谐波含量的波形图。
图6是本发明实施例中并联变换器中CRM支路输入电流3、5、7次谐波含量的波形图。
图7是本发明实施例中并联变换器中CRM支路输出功率和总输出功率比值的曲线图。
图8是本发明实施例中并联变换器中总输入电流3、5、7次谐波含量的波形图。
图9是本发明实施例中并联变换器中PF值的波形图。
上述图中的主要符号名称：vin、电源电压。iin、输入电流。RB、整流桥。vg、整流后的输出电压。ig、LC滤波器后的输出电流。iLb_DCM、DCM支路电感电流。 iLb_CRM、CRM支路电感电流。Lb_DCM、DCM支路电感。Lb_CRM、CRM支路电感。 vLb_DCM、DCM支路电感电压。vLb_CRM、CRM支路电感电压。Qb_DCM、DCM支路开关管。Qb_CRM、CRM支路开关管。Db_DCM、DCM支路二极管。Db_CRM、CRM 支路二极管。Co、输出滤波电容。RL、负载。Vo、输出电压。ugs_CRM、CRM支路开管驱动电压。ugs_DCM、DCM支路开管驱动电压。iLb_CRM_pk、CRM支路电感电流峰值。iLb_DCM_pk、DCM支路电感电流峰值。ton_CRM、CRM支路开关管导通时间。toff_CRM、CRM支路开关管关断时间。Ts_CRM、CRM支路开关周期。Dy、 DCM支路占空比。DR、DCM支路关断占空比。Ts_DCM、DCM支路开关周期。 Iin_CRM_3、CRM支路输入电流三次谐波有效值。Iin_CRM_5、CRM支路输入电流五次谐波有效值。Iin_CRM_7、CRM支路输入电流七次谐波有效值。Po_CRM、CRM支路输出有功功率。Iin_DCM_3、DCM支路输入电流三次谐波有效值。Iin_DCM_5、DCM 支路输入电流五次谐波有效值。Iin_DCM_7、DCM支路输入电流七次谐波有效值。 Po_DCM、DCM支路输出有功功率。Vrms、输入电压有效值。nPo_CRM/Po、CRM支路输出有功功率与总输出有功功率的比值。Iin_3、总输入电流中三次谐波的含量。 Iin_5、总输入电流中五次谐波的含量。Iin_7、总输入电流中七次谐波的含量。Po、总输出有功功率。PF、功率因数。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
1并联定开关频率CRM和DCM Boost PFC变换器的工作原理
图3是并联定开关频率CRM和DCM Boost PFC变换器主电路。
设定：1.所有器件均为理想元件；2.输出电压纹波与其直流量相比很小； 3.开关频率远高于输入电压频率。
并联变换器下支路工作在定开关频率CRM模式(后文简称为CRM支路)，上支路工作在定占空比DCM模式(后文简称为DCM支路)。并联电路输入交流电压 vin和整流桥后的电压vg表达式分别为
vin＝Vmsinωt (1)
vg＝Vm|sinωt| (2)
其中Vm和ω分别为输入交流电压的幅值和角频率。
并联变换器下支路工作在定开关频率CRM模式(后文简称为CRM支路)，上支路工作在定占空比DCM模式(后文简称为DCM支路)。这里，为了方便分析，如式(3)所示将并联电路输入电流分解为两部分
iin＝iin_CRM+iin_DCM (3)
其中iin表示并联电路总输入电流；iin_CRM表示CRM支路电感电流经过LC滤波和整流桥在变换器输入端产生的输入电流(后文简称为CRM支路输入电流)；iin_DCM中表示DCM支路电感电流经过LC滤波和整流桥在变换器输入端产生的输入电流 (后文简称为DCM支路输入电流)。
1.1 CRM支路输入电流三次谐波含量
CRM支路主电路拓扑为图3下支路。图4为电感电流波形图，其中(a)为 CRM工作模式下一个开关周期内电感电流的波形图，有两个开关模态，1)开关管Qb_CRM导通，二极管Db_CRM截止：电感Lb_CRM两端电压为vg，电感电流iLb_CRM由零开始以vg/Lb_CRM的斜率线性增长到最大值iLb_CRM_pk，同时电解电容Co向负载提供能量；2)开关管Qb_CRM截止，二极管Db_CRM续流：电感Lb_CRM两端电压反向，电感电流iLb_CRM从其峰值iLb_CRM_pk开始以(Vo－vg)/Lb_CRM的斜率线性下降到零。
一个开关周期内，电感电流峰值iLb_CRM_pk为
Figure BDA0002634379030000081
其中toff_CRM为开关管导通时间。
根据伏秒平衡定理，开关管关断时间toff_CRM为
Figure BDA0002634379030000082
CRM支路的开关频率fs_CRM为
Figure BDA0002634379030000083
结合式(6)，若令
Figure BDA0002634379030000084
其中τ为时间常数，与变换器输入输出电压、输出功率和电感值等参数有关。
CRM支路开关频率fs_CRM变为
Figure BDA0002634379030000085
从式(8)可以看出，如果导通时间ton_CRM按照式(7)变化，可以使开关频率恒定。
所以定开关频率控制下，CRM支路输入电流iin_CRM为
Figure BDA0002634379030000091
结合式(1)、式(9)和功率平衡，采用定开关频率控制时，可得CRM支路输入功率的平均值Pin_CRM和输出功率的平均值Po_CRM为
Figure BDA0002634379030000092
则τ为
Figure BDA0002634379030000093
结合式(9)和式(11)，CRM支路输入电流iin_CRM可写为
Figure BDA0002634379030000094
对CRM支路输入电流表达式式(12)进行傅里叶级数展开
Figure BDA0002634379030000095
可得CRM支路输入电流各次谐波的含量Iin_CRM_n为
Figure BDA0002634379030000096
图5为宽输入电压范围的CRM支路输入电流3、5、7次谐波含量。可见与基波电流同相位的三次谐波含量最高。
1.2 DCM支路输入电流三次谐波含量
DCM支路主电路拓扑为图3上支路。(b)给出了DCM工作模式下一个开关周期内电感电流的波形包含三个模态，分别为：开关管Qb_DCM导通，电感电流iLb_DCM由零开始以vg/Lb_DCM的斜率线性增长到最大值iLb_DCM_pk；开关管Qb_DCM截止，电感电流iLb_DCM从其峰值iLb_DCM_pk开始以(Vo－vg)/Lb_DCM的斜率线性下降到零；电感电流为零
一个开关周期内，DCM支路电感电流峰值iLb_DCM_pk为
Figure BDA0002634379030000097
其中Dy和Ts_DCM分别为DCM支路的占空比和开关周期。
根据伏秒平衡定理，电感电流下降到零所对应的占空比DR为
Figure BDA0002634379030000101
结合式(15)和式(16)，一个开关周期内DCM支路电感电流平均值iLb_DCM_av为
Figure BDA0002634379030000102
其中fs_DCM为DCM支路开关管开关频率
则DCM支路输入电流iin_DCM为
Figure BDA0002634379030000103
结合式(1)、式(18)和功率平衡定理，可得DCM支路输入功率的平均值Pin_DCM和输出功率的平均值Po_DCM为
Figure BDA0002634379030000104
则
Figure BDA0002634379030000105
结合式(18)和式(20)DCM支路输入电流表达式可以写为
Figure BDA0002634379030000106
对表达式式(21)进行傅里叶级数展开
Figure BDA0002634379030000107
可得DCM支路输入电流各次谐波的含量为
Figure BDA0002634379030000111
图6为宽输入电压范围的DCM支路输入电流3、5、7次谐波含量。可见与基波相位相差180度的三次谐波含量最高。
1.3完全消去三次谐波时并联支路的功率分配
结合式(14)和式(23)，可知并联时，在满足式(24)时，能完全消去输入电流中的三次谐波
Iin_CRM_3+Iin_DCM_3＝0 (24)
完全消去三次谐波时，CRM支路的输出功率Po_CRM和DCM支路输出的功率Po_DCM的比值为
Figure BDA0002634379030000112
CRM支路输出功率Po_CRM和总输出功率Po的比值为
Figure BDA0002634379030000113
图7给出了满足完全消去输入电流中三次谐波时条件时输入电压范围内 CRM支路输出功率和总输出功率比值曲线。
结合式(4)、式(7)、式(11)和式(26)可得CRM支路电感电流的峰值包络满足式(27)，从CRM支路输出的功率与总输出功率的比值满足式(26)的功率分配要求
Figure BDA0002634379030000114
为了简化控制，将式(27)进行拟合为
Figure BDA0002634379030000115
2谐波互消并联控制电路
根据式(26)的功率分配要求以及式(28)CRM支路电感电流的峰值包络要求，可以设计出如图1所示的控制电路图和如图2所示的算法流程图。
结合图1和图2，主功率电路1包括输入电压源vin、EMI滤波器、二极管整流电路RB、LC滤波器、第一主电感Lb_DCM、第二主电感Lb_CRM、零电流检测绕组Lz、零电流检测电阻Rz、第一开关管Qb_DCM、第二开关管Qb_CRM、开关管电流采样电阻Rs、第一二极管Db_DCM、第二二极管Db_CRM、输出电容Co、输出电流采样电阻Rso、和负载RL；所述输入电压源vin与EMI滤波器输入端口连接，EMI滤波器输出端口与整流桥RB的输入端口连接，整流桥RB的输出负端口与 LC滤波器的输入负端口相连，整流桥RB的输出正端口与LC滤波器的输入正端口相连，LC滤波器的输出正端口与第一主电感Lb_DCM的一端和第二主电感 Lb_CRM的一端相连，LC滤波器的输出负端口与开关管电流采样电阻Rs、第一开关管Qb_DCM、输出电容Co和负载RL的一端连接，LC滤波器的负端口为参考电位零点；第一主电感Lb_DCM的另一端与第一开关管Qb_DCM的另一端和第一二极管Db_DCM的阳极连接，第二主电感Lb_CRM的另一端与第二开关管Qb_CRM的一端和第二二极管Db_CRM的阳极连接，零电流检测绕组Lz与第二主电感Lb_CRM同向绕在同一磁芯上，零电流检测绕组Lz一端与参考电位零点相连，零电流检测绕组Lz另一端与零电流检测电阻Rz的一端相连，第二开关管Qb_CRM的另一端与开关管电流采样电阻Rs的另一端相连，第一二极管Db_DCM的阴极与第二二极管 Db_DCM的阴极、输出电容Co的另一端和输出电流采样电阻Rso的一端相连，输出电流采样电阻Rso的另一端与负载RL的另一端相连；所述主功率电路1的输入电压源vin的两端与输入电压采样电路2连接，主功率电路1的输出电流采样电阻 Rso的两端与输出电流采样电路3连接，主功率电路1的负载RL的两端与输出电压采样电路4连接，主功率电路1的零电流检测电阻Rz的一端、第二开关管Qb_CRM的门极端和开关管电流采样电阻Rs的一端均与L6561芯片7连接，主功率电路 1的第一开关管Qb_DCM的门极端与隔离驱动电路8连接。
进一步地，所述控制电路包括输入电压采样电路2、输出电流采样电路3、输出电压采样电路4、DSP模块5、隔离电路6、L6561芯片7和隔离驱动电路8；所述输入电压采样电路2的两输入端口分别与主功率电路1的电压源vin两端口相连；输出电流采样电路3的两输入端口分别与主功率电路1的输出电流采样电阻Rso两端口相连；输出电压采样电路4的两输入端口分别与主功率电路1的负载RL两端口相连。输入电压采样电路2的输出端口和DSP模块5的第一模数转换模块ADC1相连；输出电流采样电路3的输出端口和DSP模块5的第二模数转换模块ADC2相连；输出电压采样电路4的输出端口和DSP模块5的第三模数转换模块ADC3相连；DSP模块5的输出端口DAC与隔离电路6的输入端口相连；DSP模块5的输出端口ePWM与隔离驱动电路8的输入端口相连；隔离电路6的输出端口与L6561芯片7的端口MULT相连；L6561芯片7的端口 ZCD与零电流检测电阻Rz相连；L6561芯片7的端口COMP与+3V电压源相连； L6561芯片7的端口CS与开关管电流采样电阻Rs和第二开关管Qb_CRM的连接的一端相连；L6561芯片7的端口GD与第二开关管Qb_CRM的门极端相连；隔离驱动电路8的输出端与第一开关管Qb_DCM的门极端相连。
进一步地，所述DSP模块5包括第一模数转换模块ADC1、第二模数转换模块ADC2、第三模数转换模块ADC3、第一低通滤波模块、第二低通滤波模块、第三低通滤波模块、幅值计算模块、CRM支路电感电流峰值包络参考值 viLb_CRM_pk_ref计算模块、数字PI模块、锁相环模块、数模转换模块DAC和增强型脉宽调制模块ePWM；所述第一模数转换模块ADC1与输入电压采样电路2 和第一低通滤波模块连接，第一低通滤波模块与幅值计算模块和锁相环模块连接，数模转换模块DAC与锁相环模块和隔离电路6连接，第二模数转换模块 ADC2与输出电流采样电路3和第二低通滤波模块连接，CRM支路电感电流峰值包络参考值viLb_CRM_pk_ref计算模块与幅值计算模块、第二低通滤波模块、第三低通滤波模块和锁相环模块连接，第三模数转换模块ADC3与输出电压采样电路4和第三低通滤波模块连接，数字PI模块与第三低通滤波模块和增强型脉宽调制模块ePWM连接，增强型脉宽调制模块ePWM与隔离驱动电路8连接；
第一模数转换模块ADC1将采集到的输入电压信号、第二模数转换模块 ADC2将采集到的输出电流信号、第三模数转换模块ADC3将采集到的输出电压信号转换成数字信号输入到DSP模块5中，输入电压信号经过第一低通滤波模块得到输入电压的值Vmsinωt，输入电压的值Vmsinωt经幅值计算模块得到输入电压幅值Vm，输出电流信号经过第二低通滤波模块得到输出电流的值Io，输出电压信号经过第三低通滤波模块得到输出电压的值Vo；利用输入电压幅值Vm、输出电流的值Io、输出电压的值Vo计算完全消去三次谐波时CRM支路电感电流峰值包络参考值viLb_CRM_pk_ref，计算公式为
Figure BDA0002634379030000141
其中，Vm为输入电压幅值，Vo为输出电压，ω为输入电压角频率，t为时间，Io为输出电流，Rs为开关管电流采样电阻，kMULT_CS为L6561芯片7MULT端口到 CS端口增益的倒数，COMP端口输入+3V时kMULT_CS为3.375；
CRM支路电感电流峰值包络参考值viLb_CRM_pk_ref经锁相环模块与输入电压保持相同的相位后从DAC输出；同时，输出电压的值Vo经过数字PI模块与增强型脉宽调制模块ePWM后输出ePWM波。
进一步地，所述输入电压采样电路2包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第一霍尔电压传感器、第一运算放大器IC1和第二运算放大器IC2，第一电阻R1的一端口与输入电压采样电路2一输入端口相连，第一电阻R1的另一端口与第一霍尔电压传感器“+”输入端口相连，第一霍尔电压传感器“-”输入端口与输入电压采样电路2另一输入端口相连，第一霍尔电压传感器“-”输出端口与第二电阻的R2的一端口和参考地相连，第一霍尔电压传感器“+”输出端口与第二电阻的R2的另一端口和第一运算放大器IC1的“+”端口相连，第一运算放大器IC1的“-”端口和第一运算放大器IC1 的输出端口和第五电阻R5的一端口相连，第五电阻R5的另一端口与第二运算放大器IC2的“-”端口和第三电阻R3的一端口相连，第二运算放大器IC2的“+”端口与第四电阻R4的一端口和第六电阻R6的一端口相连，第四电阻R4的另一端口与参考地相连，第六电阻R6的另一端口与+2.5V电压源相连，第二运算放大器IC2 的输出端口与第三电阻R3的另一端口和输入电压采样电路2的输出端口相连。其特征在于：所述输出电流采样电路3包括第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第一隔离运算放大器和第三运算放大器IC3，第一隔离运算放大器的两输入端口与输出电流采样电路3两输入端口相连，第一隔离运算放大器的输出“VOUTN”端口与第九电阻R9的一端口相连,第九电阻R9的另一端口与第三运算放大器IC3的“+”端口和第十电阻R10的一端口相连，第十电阻R10的另一端口与参考地相连，第一隔离运算放大器的输出“VOUTP”端口与第七电阻 R7的一端口相连，第七电阻R7的另一端口与第三运算放大器IC3的“-”端口和第八电阻R8的一端口相连，第八电阻R8的另一端口第三运算放大器IC3的输出端口和输出电流采样电路3的输出端口相连。其特征在于：所述输出电压采样电路 4包括第十一电阻R11、第十二电阻R12、第十三电阻R13、第十四电阻R14、第十五电阻R15、第十六电阻R16、第二霍尔电压传感器、第四运算放大器IC4和第五运算放大器IC5，电阻R16的一端口与输出电压采样电路4一输入端口相连，第十六电阻R16的另一端口与第二霍尔电压传感器“+”输入端口相连，第二霍尔电压传感器“-”输入端口与输出电压采样电路4另一输入端口相连，第二霍尔电压传感器“-”输出端口与第十五电阻的R15的一端口和参考地相连，第二霍尔电压传感器“+”输出端口与第十五电阻的R15的另一端口和第五运算放大器IC5的“+”端口相连，第五运算放大器IC5的“-”端口和第五运算放大器IC5的输出端口和第十三电阻R13的一端口相连，第十三电阻R13的另一端口与第四运算放大器IC4 的“-”端口和第十四电阻R14的一端口相连，第四运算放大器IC4的“+”端口与第十一电阻R11的一端口和第十二电阻R12的一端口相连，第十二电阻R12的另一端口与参考地相连，第十一电阻R11的另一端口与+2.5V电压源相连，第四运算放大器IC4的输出端口与第十四电阻R14的另一端口和输出电压采样电路4的输出端口相连。
进一步地，所述DSP模块5可使用TMS320F28377或TMS320F28335等 MCU芯片，所述隔离电路6可以使用ISO124U等型号的隔离芯片，所述隔离驱动电路8可选用TLP250等型号的驱动芯片。
进一步地，所述第一电压霍尔传感器、第二电压霍尔传感器可以选用 HNV025等型号的电压霍尔传感器，所述第一运算放大器、第二运算放大器、第三运算放大器、第四运算放大器和第五运算放大器可选用TL074、TL072、LM358、 LM324或LM321等型号的运算放大器，所述第一隔离运算放大器可选用 AMC1200BDWVR等型号的隔离运算放大器。
3性能分析
3.1谐波含量的减小
结合式(14)、式(23)和式(26)，可得在满足式(26)的功率分配比值时，并联电路输入电流各次谐波的含量为
Figure BDA0002634379030000161
图8给出了并联电路输入电流3次、5次和7次谐波含量，而更高次谐波因其含量较小，所以不再罗列。与图5和图6，可见并联变换器输入电流3次谐波理论上可减小为零，5次和7次谐波也保持在较低的值。
3.2 PF值的提高
结合式(1)、式(3)、式(13)、式(22)和式(26)，可得并联定开关频率CRM和DCMBoost PFC变换器的功率因数为
Figure BDA0002634379030000162
其中Pin为并联电路总输入功率平均值，Vin_rms为输入电压有效值，Iin_rms为总输入电流有效值。
图9给出并联定开关频率CRM和DCM Boost PFC变换器理论上的PF值，可见并联定开关频率CRM和DCM Boost PFC变换器PF值在输入电压有效值为 264V时为0.981；输入电压有效值为220V时，PF值为0.998。

Claims (7)

1.一种谐波互消并联控制的并联定开关频率CRM和定占空比DCM升压PFC变换器，其特征在于：包括主功率电路(1)和控制电路，其中控制电路包括输入电压采样电路(2)、输出电流采样电路(3)、输出电压采样电路(4)、DSP模块(5)、隔离电路(6)、L6561芯片(7)和隔离驱动电路(8)；所述主功率电路(1)分别与输入电压采样电路(2)、输出电流采样电路(3)、输出电压采样电路(4)、L6561芯片(7)和隔离驱动电路(8)连接，DSP模块(5)分别与输入电压采样电路(2)、输出电流采样电路(3)、输出电压采样电路(4)、隔离电路(6)和隔离驱动电路(8)连接，隔离电路(6)与L6561芯片(7)连接；
DSP模块(5)采集输入电压、输出电流和输出电压数据，并进行处理后输出电感电流峰值包络信号，经隔离电路(6)隔离后送到L6561芯片(7)，从而控制第二开关管Qb_CRM，使第二主电感Lb_CRM的电流工作在CRM模式、频率保持固定且流过的功率可控；由DSP模块(5)中ePWM模块输出占空比固定的PWM波，再由隔离驱动电路(8)产生驱动信号控制第一开关管Qb_DCM，使第一主电感Lb_DCM的电流工作在DCM模式且开关信号占空比保持固定；最终通过控制由第二开关管构成的第二支路的输出功率与总输出功率的比值，实现完全消去总输入电流中三次谐波，达到在CRM工作模式下开关频率保持固定的同时实现高功率因数的目的；
主功率电路(1)包括输入电压源vin、EMI滤波器、二极管整流桥RB、LC滤波器、第一主电感Lb_DCM、第二主电感Lb_CRM、零电流检测绕组Lz、零电流检测电阻Rz、第一开关管Qb_DCM、第二开关管Qb_CRM、开关管电流采样电阻Rs、第一二极管Db_DCM、第二二极管Db_CRM、输出电容Co、输出电流采样电阻Rso、负载RL；所述输入电压源vin与EMI滤波器输入端口连接，EMI滤波器输出端口与整流桥RB的输入端口连接，整流桥RB的输出负端口与LC滤波器的输入负端口相连，整流桥RB的输出正端口与LC滤波器的输入正端口相连，LC滤波器的输出正端口与第一主电感Lb_DCM的一端和第二主电感Lb_CRM的一端相连，LC滤波器的输出负端口与开关管电流采样电阻Rs、第一开关管Qb_DCM、输出电容Co和负载RL的一端连接，LC滤波器的输出负端口为参考电位零点；第一主电感Lb_DCM的另一端与第一开关管Qb_DCM的另一端和第一二极管Db_DCM的阳极连接，第二主电感Lb_CRM的另一端与第二开关管Qb_CRM的一端和第二二极管Db_CRM的阳极连接，零电流检测绕组Lz与第二主电感Lb_CRM同向绕在同一磁芯上，零电流检测绕组Lz一端与参考电位零点相连，零电流检测绕组Lz另一端与零电流检测电阻Rz的一端相连，第二开关管Qb_CRM的另一端与开关管电流采样电阻Rs的另一端相连，第一二极管Db_DCM的阴极与第二二极管Db_DCM的阴极、输出电容Co的另一端和输出电流采样电阻Rso的一端相连，输出电流采样电阻Rso的另一端与负载RL的另一端相连；所述主功率电路(1)的输入电压源vin的两端与输入电压采样电路(2)连接，主功率电路(1)的输出电流采样电阻Rso的两端与输出电流采样电路(3)连接，主功率电路(1)的负载RL的两端与输出电压采样电路(4)连接，主功率电路(1)的零电流检测电阻Rz的另一端、第二开关管Qb_CRM的门极端和开关管电流采样电阻Rs的另一端均与L6561芯片(7)连接，主功率电路(1)的第一开关管Qb_DCM的门极端与隔离驱动电路(8)连接。
2.根据权利要求1所述谐波互消并联控制的并联定开关频率CRM和定占空比DCM升压PFC变换器，其特征在于：所述输入电压采样电路(2)的两输入端口分别与主功率电路(1)的输入电压源vin两端口相连；输出电流采样电路(3)的两输入端口分别与主功率电路(1)的输出电流采样电阻Rso两端口相连；输出电压采样电路(4)的两输入端口分别与主功率电路(1)的负载RL两端口相连；输入电压采样电路(2)的输出端口和DSP模块(5)的第一模数转换模块ADC1相连；输出电流采样电路(3)的输出端口和DSP模块(5)的第二模数转换模块ADC2相连；输出电压采样电路(4)的输出端口和DSP模块(5)的第三模数转换模块ADC3相连；DSP模块(5)中数模转换模块DAC的输出端口与隔离电路(6)的输入端口相连；DSP模块(5)中ePWM模块的输出端口与隔离驱动电路(8)的输入端口相连；隔离电路(6)的输出端口与L6561芯片(7)的端口MULT相连；L6561芯片(7)的端口ZCD与零电流检测电阻Rz相连；L6561芯片(7)的端口COMP与+3V电压源相连；L6561芯片(7)的端口CS与开关管电流采样电阻Rs和第二开关管Qb_CRM的连接的一端相连；L6561芯片(7)的端口GD与第二开关管Qb_CRM的门极端相连；隔离驱动电路(8)的输出端与第一开关管Qb_DCM的门极端相连。
3.根据权利要求2所述谐波互消并联控制的并联定开关频率CRM和定占空比DCM升压PFC变换器，其特征在于：所述DSP模块(5)包括第一模数转换模块ADC1、第二模数转换模块ADC2、第三模数转换模块ADC3、第一低通滤波模块、第二低通滤波模块、第三低通滤波模块、幅值计算模块、CRM支路电感电流峰值包络信号viLb_CRM_pk_ref计算模块、数字PI模块、锁相环模块、数模转换模块DAC和增强型脉宽调制模块ePWM；所述第一模数转换模块ADC1与输入电压采样电路(2)和第一低通滤波模块连接，第一低通滤波模块与幅值计算模块和锁相环模块连接，数模转换模块DAC与锁相环模块和隔离电路(6)连接，第二模数转换模块ADC2与输出电流采样电路(3)和第二低通滤波模块连接，CRM支路电感电流峰值包络信号viLb_CRM_pk_ref计算模块与幅值计算模块、第二低通滤波模块、第三低通滤波模块和锁相环模块连接，第三模数转换模块ADC3与输出电压采样电路(4)和第三低通滤波模块连接，数字PI模块与第三低通滤波模块和增强型脉宽调制模块ePWM连接，增强型脉宽调制模块ePWM与隔离驱动电路(8)连接；
第一模数转换模块ADC1将采集到的输入电压信号、第二模数转换模块ADC2将采集到的输出电流信号、第三模数转换模块ADC3将采集到的输出电压信号转换成数字信号输入到DSP模块(5)中，输入电压信号经过第一低通滤波模块得到输入电压的值Vmsinωt，输入电压的值Vmsinωt经幅值计算模块得到输入电压幅值Vm，输出电流信号经过第二低通滤波模块得到输出电流的值Io，输出电压信号经过第三低通滤波模块得到输出电压的值Vo；利用输入电压幅值Vm、输出电流的值Io、输出电压的值Vo计算完全消去三次谐波时CRM支路电感电流峰值包络信号viLb_CRM_pk_ref，计算公式为
Figure FDA0003710190260000031
其中，Vm为输入电压幅值，ω为输入电压角频率，t为时间，Rs为开关管电流采样电阻，kMULT_CS为L6561芯片(7)端口MULT到端口CS增益的倒数，端口COMP输入+3V时kMULT_CS为3.375；
CRM支路电感电流峰值包络信号viLb_CRM_pk_ref经锁相环模块与输入电压保持相同的相位后从DAC输出；同时，输出电压的值Vo经过数字PI模块与增强型脉宽调制模块ePWM后输出ePWM波。
4.根据权利要求1所述谐波互消并联控制的并联定开关频率CRM和定占空比DCM升压PFC变换器，其特征在于：所述输入电压采样电路(2)包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第一霍尔电压传感器、第一运算放大器IC1和第二运算放大器IC2，第一电阻R1的一端口与输入电压采样电路(2)一输入端口相连，第一电阻R1的另一端口与第一霍尔电压传感器“+”输入端口相连，第一霍尔电压传感器“-”输入端口与输入电压采样电路(2)另一输入端口相连，第一霍尔电压传感器“-”输出端口与第二电阻R2的一端口和参考电位零点相连，第一霍尔电压传感器“+”输出端口与第二电阻R2的另一端口和第一运算放大器IC1的“+”端口相连，第一运算放大器IC1的“-”端口和第一运算放大器IC1的输出端口和第五电阻R5的一端口相连，第五电阻R5的另一端口与第二运算放大器IC2的“-”端口和第三电阻R3的一端口相连，第二运算放大器IC2的“+”端口与第四电阻R4的一端口和第六电阻R6的一端口相连，第四电阻R4的另一端口与参考电位零点相连，第六电阻R6的另一端口与+2.5V电压源相连，第二运算放大器IC2的输出端口与第三电阻R3的另一端口和输入电压采样电路(2)的输出端口相连。
5.根据权利要求1所述谐波互消并联控制的并联定开关频率CRM和定占空比DCM升压PFC变换器，其特征在于：所述输出电流采样电路(3)包括第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第一隔离运算放大器和第三运算放大器IC3，第一隔离运算放大器的两输入端口与输出电流采样电路(3)两输入端口相连，第一隔离运算放大器的输出VOUTN端口与第九电阻R9的一端口相连,第九电阻R9的另一端口与第三运算放大器IC3的“+”端口和第十电阻R10的一端口相连，第十电阻R10的另一端口与参考电位零点相连，第一隔离运算放大器的输出VOUTP端口与第七电阻R7的一端口相连，第七电阻R7的另一端口与第三运算放大器IC3的“-”端口和第八电阻R8的一端口相连，第八电阻R8的另一端口第三运算放大器IC3的输出端口和输出电流采样电路(3)的输出端口相连。
6.根据权利要求1所述谐波互消并联控制的并联定开关频率CRM和定占空比DCM升压PFC变换器，其特征在于：所述输出电压采样电路(4)包括第十一电阻R11、第十二电阻R12、第十三电阻R13、第十四电阻R14、第十五电阻R15、第十六电阻R16、第二霍尔电压传感器、第四运算放大器IC4和第五运算放大器IC5，电阻R16的一端口与输出电压采样电路(4)一输入端口相连，第十六电阻R16的另一端口与第二霍尔电压传感器“+”输入端口相连，第二霍尔电压传感器“-”输入端口与输出电压采样电路(4)另一输入端口相连，第二霍尔电压传感器“-”输出端口与第十五电阻R15的一端口和参考电位零点相连，第二霍尔电压传感器“+”输出端口与第十五电阻R15的另一端口和第五运算放大器IC5的“+”端口相连，第五运算放大器IC5的“-”端口和第五运算放大器IC5的输出端口和第十三电阻R13的一端口相连，第十三电阻R13的另一端口与第四运算放大器IC4的“-”端口和第十四电阻R14的一端口相连，第四运算放大器IC4的“+”端口与第十一电阻R11的一端口和第十二电阻R12的一端口相连，第十二电阻R12的另一端口与参考电位零点相连，第十一电阻R11的另一端口与+2.5V电压源相连，第四运算放大器IC4的输出端口与第十四电阻R14的另一端口和输出电压采样电路(4)的输出端口相连。
7.根据权利要求2所述谐波互消并联控制的并联定开关频率CRM和定占空比DCM升压PFC变换器，其特征在于：所述DSP模块(5)使用TMS320F28377或TMS320F28335 MCU芯片，所述隔离电路(6)使用ISO124U型的隔离芯片，所述隔离驱动电路(8)选用TLP250型的驱动芯片。
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