单位功率因数单级ac-dc变换器的控制系统及控制方法
【专利摘要】本发明公开了单位功率因数单级AC-DC变换器的控制系统及控制方法，包括复合控制器，所述复合控制器接收单级AC-DC隔离变换器二次侧直流母线电压、电流信号及二次侧直流母线参考电压、电流信号，复合控制器将接收的电压及电流进行处理转换为交流电流参考有效值；交流电流参考有效值与电压值经过乘法器运算后为一次侧电流参考信号，一次侧电流参考信号、一次侧电流信号、一次侧电压信号及二次侧电压信号均输入至电流控制器；本发明可实现双向单级AC-DC或DC-AC隔离变换，方便用于电池充/放电或光伏并网发电，也可实现级联模块化单级隔离AC-DC变换，作为电力电子变压器用于高电压交流输入应用场合。
【专利说明】单位功率因数单级AC-DC变换器的控制系统及控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电力电子变换【技术领域】，具体涉及一种具有单位功率因数的隔离单级AC-DC隔离变换器及其控制方法。
【背景技术】
[0002]AC-DC隔离变换器一般由整流器和隔离型DC-DC变换器组成，这类AC-DC变换器由于整流器后需并联大容量滤波电容器，功率因数较低。为提高功率因数，现有技术一般采用在整流器与隔离型DC-DC变换器之间增加一级功率因数校正(Power FactorCorrection, PFC)电路，如图1所示。这类AC-DC隔离变换器采用两级高频变换，即PFC高频变换和隔离型DC-DC高频变换，使得变换效率降低，由于这两级高频变换需要两套不同功能的控制系统，因此具有控制电路复杂、成本较高等缺点。
【发明内容】
[0003]为解决现有技术存在的不足，本发明公开了单位功率因数单级AC-DC隔离变换器及其控制方法，本申请具有实现单级高频变换，能够实现单位功率因数，具有升降压能力，可实现输出电压/电流宽范围控制等优点。
[0004]为实现上述目的，本发明的具体方案如下:
[0005]单位功率因数单级AC-DC变换器的控制系统，包括复合控制器，所述复合控制器接收单级AC-DC隔离变换器二次侧直流母线电压、电流信号及二次侧直流母线参考电压、电流信号，复合控制器将接收的电压及电流进行处理转换为交流电流参考有效值；
[0006]交流电流参考有效值与电压值经过乘法器运算后为一次侧电流参考信号，一次侧电流参考信号、一次侧电流信号、一次侧电压信号及二次侧电压信号均输入至电流控制器；
[0007]电流控制器输出信号连接开关信号发生器的两个输入端，开关信号发生器的输出信号连接单级AC-DC隔离变换器中的隔离型DC-DC变换器的功率开关管，用于控制功率开关管的通断，所述开关信号发生器的一个输入端还与开关同步信号相连。
[0008]所述交流电流参考有效值与电压值经过乘法器运算后为一次侧电流参考信号中的电压值为一次侧直流母线电压检测信号通过除法器除以输入交流电压额定值Usn后的输出值。
[0009]所述交流电流参考有效值与电压值经过乘法器运算后为一次侧电流参考信号中的电压值为输入交流电源Us同频同相的单位幅值正弦信号Usin的绝对值IusinI。
[0010]所述单级AC-DC隔离变换器包括交流电源及与交流电源相连的滤波电路，所述滤波电路将滤波后的信号传送至整流器整流处理，经过整流器整流的信号传送至隔离型DC-DC变换器的输入端，隔离型DC-DC变换器的输出端与电容Cl并联后与负载相连。
[0011]所述整流器为无源整流器，为四个二极管组成的单相全桥整流器电路。
[0012]所述整流器为有源H桥整流器，为四个带反并联二极管的功率开关管组成的H桥变换电路。
[0013]所述隔离型DC-DC变换器高频变压器，与高频变压器的一次侧相连的一次侧变换电路和与高频变压器的二次侧相连的二次侧变换电路，所述高频变压器由至少一个电感与高频变压器绕组串联。
[0014]所述电感为独立电感或者所述高频变压器的漏感。
[0015]所述一次侧变换电路及二次侧变换电路为四个带反并联二极管的功率开关管组成的H桥变换电路。
[0016]所述一次侧变换电路及二次侧变换电路为两个带反并联二极管的功率开关管和两个电容器组成的半桥变换电路，其中两个所述功率开关管串联构成所述半桥变换器的一个桥臂，所述两个电容器串联组成构成所述半桥变换器的另一个桥臂。
[0017]所述一次侧变换电路及二次侧变换电路为两个带反并联二极管的功率开关管和两个二极管组成的H桥混合变换器，其中一个二极管与一个功率开关管串联构成所述H桥变换器的一个桥臂，另一个二极管与另一个功率开关管串联构成所述H桥变换器的另一个桥臂，即所述H桥变换器的两个上管或两个下管用二极管代替，形成所述H桥混合变换电路。
[0018]一种级联模块化的单位功率因数单级AC-DC隔离变换器系统，它包括N (N为大于等于I的整数)个所述单位功率因数单级AC-DC隔离变换器、N个一次侧电流控制单元和一个二次侧复合控制器；所述一次侧电流控制单元包括所述电流控制器、开关信号发生器、乘法器以及所述除法器。
[0019]N个所述单级AC-DC隔离变换器的交流输入端采用级联式连接，N个所述单级AC-DC隔离变换器的二次直流母线的正/负极分别并联连接，每个所述一次侧电流控制单元对应每个所述单位功率因数单级AC-DC隔离变换器，所述二次侧复合控制器的输出信号I/连接到每个所述一次侧电流控制单元的输入端I/ ;N个所述一次侧电流控制单元的开关同步信号CLK的频率相同，并且CLKl、CLK2、…，CLKn可以依次移相180° /N。
[0020]单位功率因数单级AC-DC变换器的控制系统的控制方法，包括以下步骤:
[0021]步骤一:检测所述AC-DC隔离变换器中的隔离型DC-DC变换器的一次侧直流母线电压Udl和电流idl以及二次侧直流母线电压Ud2和电流id2 ；
[0022]步骤二:将二次侧直流母线电压参考Ud/和电流参考id/以及所述二次侧直流母线电压Ud2和电流id2的检测值经过二次侧复合控制器处理后产生输入交流电流有效值参考I *：[0023]步骤三:一次侧直流母线电压Udl除以输入交流电压额定值Usn，再与所述输入交流电流有效值参考I/相乘，得到所述一次侧直流母线电流参考idl*即idl*=Is**udl/UsN’式中
Usn表示所述输入交流电压额定值；
[0024]步骤四:将所述一次侧直流母线电流参考idl'一次侧直流母线电压Udl和电流idl以及二次侧直流母线电压Ud2的检测值送入到一次侧电流控制器进行综合处理后输出F1和F2，其中F1和F2分别为所述一次侧和二次侧变换器的控制量；
[0025]步骤五:将F1和F2送入开关信号发生器单元处理后，输出产生所述隔离型DC-DC变换器的一次侧和二次侧功率开关管的开关控制信号。[0026]所述步骤一中还包括检测所述AC-DC隔离变换器的输入交流电压us，经过绝对值运算后，代替所述一次侧直流母线电压Udl，即|Udl= |Us|。
[0027]所述步骤一和步骤二中，当不需要对所述二次侧直流母线电流id2进行控制时，忽略对id2检测和处理。
[0028]所述步骤一中，所述母线电流idl和id2的检测，可以通过检测所述功率开关管电流予以替代。
[0029]所述步骤三中，udl/UsN可以用与所述输入交流电压Us同频同相的单位幅值正弦信号Usin的绝对值IusinI代替，所述一次侧直流母线电流参考i/为i/ = 1> I Usin I。
[0030]工作原理:开关信号发生器的输出信号连接所述单级AC-DC隔离变换器中的隔离型DC-DC变换器的功率开关管，用于控制功率开关管的通断；电流控制器的输出信号F1和F2连接所述开关信号发生器的两个输入端，一个开关同步信号CLK连接开关信号发生器的第三输入端；二次侧复合控制器的输出信号ΙΛ作为输入交流电流有效值参考，隔离型DC-DC变换器一次侧直流母线电压检测信号Udl通过除法器除以输入交流电压额定值Usn后
输出U—，即
【权利要求】
1.单位功率因数单级AC-DC变换器的控制系统，包括复合控制器，所述复合控制器接收单级AC-DC隔离变换器二次侧直流母线电压、电流信号及二次侧直流母线参考电压、电流信号，复合控制器将接收的电压及电流进行处理转换为交流电流参考有效值； 交流电流参考有效值与电压值经过乘法器运算后为一次侧电流参考信号，一次侧电流参考信号、一次侧电流信号、一次侧电压信号及二次侧电压信号均输入至电流控制器； 电流控制器输出信号连接开关信号发生器的两个输入端，开关信号发生器的输出信号连接单级AC-DC隔离变换器中的隔离型DC-DC变换器的功率开关管，用于控制功率开关管的通断，所述开关信号发生器的一个输入端还与开关同步信号相连。
2.如权利要求1所述的单位功率因数单级AC-DC变换器的控制系统，其特征是，所述交流电流参考有效值与电压值经过乘法器运算后为一次侧电流参考信号中的电压值为一次侧直流母线电压检测信号通过除法器除以输入交流电压额定值Usn后的输出值。
3.如权利要求1所述的单位功率因数单 级AC-DC变换器的控制系统，其特征是，所述交流电流参考有效值与电压值经过乘法器运算后为一次侧电流参考信号中的电压值为输入交流电源Us同频同相的单位幅值正弦信号Usin的绝对值IusinI。
4.如权利要求1所述的单位功率因数单级AC-DC变换器的控制系统，其特征是，所述单级AC-DC隔离变换器包括交流电源及与交流电源相连的滤波电路，所述滤波电路将滤波后的信号传送至整流器整流处理，经过整流器整流的信号传送至隔离型DC-DC变换器的输入端，隔离型DC-DC变换器的输出端与电容Cl并联后与负载相连。
5.如权利要求4所述的单位功率因数单级AC-DC变换器的控制系统，其特征是，所述隔离型DC-DC变换器高频变压器，与高频变压器的一次侧相连的一次侧变换电路和与高频变压器的二次侧相连的二次侧变换电路，所述高频变压器由至少一个电感与高频变压器绕组串联；所述电感为独立电感或者所述高频变压器的漏感。
6.采用如权利要求1所述的控制系统的一种级联模块化的单位功率因数单级AC-DC隔离变换器系统，其特征是，它包括N个所述单位功率因数单级AC-DC隔离变换器、N个所述一次侧电流控制单元和一个二次侧复合控制器；所述一次侧电流控制单元包括所述电流控制器、开关信号发生器、乘法器以及所述除法器； N个所述单级AC-DC隔离变换器的交流输入端采用级联式连接，N个所述单级AC-DC隔离变换器的二次直流母线的正/负极分别并联连接，每个所述一次侧电流控制单元对应每个所述单位功率因数单级AC-DC隔离变换器，所述二次侧复合控制器的输出信号I/连接到每个所述一次侧电流控制单元的输入端I/ #个所述一次侧电流控制单元的开关同步信号CLK的频率相同，并且CLK1、CLK2、…，CLKn可以依次移相180° /N。
7.如权利要求1所述的单位功率因数单级AC-DC变换器的控制系统的控制方法，其特征是，包括以下步骤: 步骤一:检测所述AC-DC隔离变换器中的隔离型DC-DC变换器的一次侧直流母线电压Udl和电流idl以及二次侧直流母线电压Ud2和电流id2 ； 步骤二:将二次侧直流母线电压参考Ud/和电流参考id/以及所述二次侧直流母线电压Ud2和电流id2的检测值经过二次侧复合控制器处理后产生输入交流电流有效值参考I/ ； 步骤三:一次侧直流母线电压Udl除以输入交流电压额定值Usn,再与所述输入交流电流有效值参考I/相乘，得到所述一次侧直流母线电流参考idl%即‘* = 1、，式中Usn表
SN示所述输入交流电压额定值； 步骤四:将所述一次侧直流母线电流参考idl'一次侧直流母线电压Udl和电流idl以及二次侧直流母线电压ud2的检测值送入到一次侧电流控制器进行综合处理后输出F1和F2,其中F1和F2分别为所述一次侧和二次侧变换器的控制量； 步骤五:将F1和F2送入开关信号发生器单元处理后，输出产生所述隔离型DC-DC变换器的一次侧和二次侧功率开关管的开关控制信号。
8.如权利要求7所述的控制方法，其特征是，所述步骤一中还包括检测所述AC-DC隔离变换器的输入交流电压Us，经过绝对值运算后，代替所述一次侧直流母线电压udl，即Udl =Us。
9.如权利要求7所述的控制方法，其特征是，所述步骤一中，所述母线电流idl和id2的检测，可以通过检测所述功率开关管电流予以替代。
10.如权利要求7所述的控制方法，其特征是，所述步骤三中，^/^^可以用与所述输入交流电压Us同频同相的单位幅值正弦信号Usin的绝对值IusinI代替，所述一次侧直流母线电流参考i/为i/ = Is* * I Usin。
【文档编号】H02M7/04GK103986344SQ201410240212
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2014年5月30日 优先权日:2014年5月30日
【发明者】王广柱, 王明达, 李峰, 张勋, 王婷 申请人:山东大学