一种功率因数校正电路的母线电压纹波补偿控制电路的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型属于整流控制技术领域,具体涉及一种功率因数校正电路的母线电压 纹波补偿控制电路。
【背景技术】
[0002] 功率因数指的是有功功率与总耗电量(视在功率)之间的关系,也就是有功功率 除以总耗电量(视在功率)的比值。基本上功率因数可以衡量电力被有效利用的程度,功 率因数值越大,代表其电力利用率越高。
[0003]目前很多电器设备所需电能的形式是直流,需要将电网上的交流电能转化为直流 电能。这就需要整流电路将交流电转化为直流电。早期的不控整流电路虽然具有简单,成 本较低的特点,但是会带来很多谐波,功率因数很低,还会给其他的用电设备带来干扰。目 前国际上和国内都对用电设备产生的谐波和功率因数提出了一定的要求。因此,功率因数 校正(PFC:Power Factor Correction)电路得到了普及。
[0004] 目前应用最普遍的单相PFC电路拓扑为Boost,输入为电网交流电。输出直流电, 基本电路拓扑如图1所示:在图1中,L和N为交流输入端,DC+和DC-为直流输出端,控制 目的是将交流输入侧的输入电流控制成与输入电压波形相位一致的正弦波。由于输入电压 为正弦波,输入电流也为正弦波,那么输入的瞬时功率波形也为正弦形式。在输入电压过零 点处,输入瞬时功率为零,在输入电压达到峰值时,输入功率也达到峰值。但是输出电压为 直流,因此输出的功率也为直流形式,因此就会产生瞬时输入和输出功率不相等的状态,这 个功率上的差值就是靠输出电容来平衡的。当输入瞬时功率小于输出功率时,电容释放能 量,输出电压会降低。当输入功率超过输出功率时,电容吸收能量,输出电压会升高。这就 是单相PFC电路的工作状态,因此其输出电压必然会存在波动,其波动的幅度与输出功率 和电容的容值等因素有关,简单的说,功率越大,波动越大,电容越大,波动越小。图2和图 3为目前常见的单相PFC电路输入电压电流和输出电压的典型波形图。 【实用新型内容】
[0005] 针对上述问题,本实用新型的主要目的是保证输入电流波形质量的前提下,提高 电压环的带宽,进而提高电压环的动态性能。减小PFC输出电压受负载变化引起的波动幅 度,进而降低整个产品的设计难度和成本。
[0006] 本实用新型是通过下述技术方案来解决上述技术问题的:一种功率因数校正电路 的母线电压纹波补偿控制电路,所述功率因数校正电路的母线电压纹波补偿控制电路包括 不控制整流桥BD1、电感L1、全控型半导体器件Q1、二极管D1、电容C1 ;输入电压采样模块、 电感电流采样模块、输出电压采样模块、输出电压控制环路的调节器Gcv、输入电流控制环 路的调节器Gci、PWM驱动信号产生模块PWM、计算模块一和计算模块二;
[0007] 输入电压采样模块和电感电流采样模块均安装在整流后的输入电压和电感L1之 间,输入电流控制环路的调节器Gci通过PWM驱动信号产生模块连接在全控型半导体器件 Q1的控制信号接收极,所述功率因数校正电路的母线电压纹波补偿控制电路还包括纹波发 生器,所述纹波发生器连接在输出电压采样模块上;
[0008] 计算模块一与输入电压采样模块连接,计算模块二与计算模块一、输入电压采样 模块、输出电压控制环路的调节器Gcv均连接。
[0009] 在本实用新型的一个优选实施例子中,所述计算模块一计算输入电压有效值和输 入电压采样系数的乘积的。
[0010] 在本实用新型的一个优选实施例子中,所述计算模块二有三个输入信号,分别为 A、B、和C,此模块计算Km*A*B/C的结果,Km是一个固定的系数,A为输出电压控制环路的调 节器Gcv的输出值,B为输入电压采样模块中测得的输入电压采样值,C为计算模块一的计 算输出值。
[0011] 本实用新型的积极进步效果在于:本实用新型提供的功率因数校正电路的母线电 压纹波补偿控制电路具有以下优点:本实用新型将PFC输出电压的波动信号在控制环路中 去掉,进而可以提高电压环的带宽,同时保证输入波形质量。
【附图说明】
[0012] 图1为目前常见的单相PFC电路。
[0013] 图2为目前常见的单相PFC电路输入电压和电流的典型波形图。
[0014] 图3为目前常见的单相PFC电路输出电压的典型波形图。
[0015] 图4为目前常见的单相PFC电路的控制原理图。
[0016] 图5为采用母线电压纹波补偿的单相PFC电路的控制原理图。
[0017] 图6为采用了图5中的电路仿真的输入电流的稳态波形的图。
[0018] 图7为采用了图5中的电路仿真的输出电压的稳态波形的图。
[0019] 图8为采用了图4中的电路仿真的输入电流的稳态波形图。
[0020] 图9为采用了图4中的电路仿真的输出电压的稳态波形图。
[0021] 图10为采用了图5中的电路仿真的负载突变情况下的输出电压的波形的图。
[0022] 图11为采用了图5中的电路仿真的负载突变情况下的输入电流的波形的图。
[0023] 图12为采用了图4中的电路仿真的负载突变情况下的输出电压的波形的图。
[0024] 图13为采用了图4中的电路仿真的负载突变情况下的输入电流的波形的图。
【具体实施方式】
[0025] 下面结合附图给出本实用新型较佳实施例,以详细说明本实用新型的技术方案。
[0026] 使输入电流跟随输入电压的波形变化,关键是靠控制的方法实现的。图4是目前 普遍采用的一种PFC控制原理图。PFC电路需要控制的变量有两个,一个输出电压Vdc,另 一个是输入电流。Vdc的控制目标是使Vdc的平均值达到输出负载需要的电压值。输入电 流的控制目标是使输入电流的波形成为与输入电压同相位的正弦波。其幅值大小由输出负 载决定。为了达到这两个控制目的,需要两个控制环路:输出电压控制环路,输入电流控制 环路。输出电压控制环路的调节器为Gcv,输入电流控制环路的调节器为Gci。电压环的指 令为Vref,即希望电路的输出电压值。电流环的指令的构成较复杂,是由电压调节器的输 出信号A,输入电压采样信号B,和输入电压采样信号有效值C,和一个常数Km,按照图示公 式所产生。其中输入电压采样信号B的作用是使电流指令的形状和相位与输入电压一致,A 的作用用于调节电流指令的幅度,控制输入功率和输出功率平衡。当输出功率增大时,Vdc 会降低,电压环调节器会收到一个正的误差信号,其输出A会增大,进而使电流环指令Iref 幅值增大。进而使输入电流增大,增加输入功率,使输出电压重新回到设定值,反之亦然。 输入电压有效值C的目的主要是为了加快电流指令受到输入电压波动影响的反映速度。如 果输出功率恒定,输入电压突然间小,C也随之减小,此时根据图示所示的公式,电流指令会 相应增大。维持输入功率不变,而无需电压调节器的输出A变化,反之亦然。因此,使输入 电流的功率因数提高,必须使电流指令信号的形状和相位与B的形状和相位一致。因此,就 必须保证C和A的波形为直流,不能有波动,C为有效值,自然为直流量。但是,电压调节器 的输出A为直流却不容易,根据前面的分析,输出电压必然存在一个两倍于输入电压频率 的正弦波动,但是电压环的指令信号却是一个直流信号。因此电压调节器的输入误差信号 必然是一个存在两倍输入电压频率的波动信号。假设输入电压频率为50Hz,那么误差信号 的波动频率为100Hz,以常见PID调节器为例,如果想让调节器的输出信号能够忽略这个波 动,只对输出电压的平均值起作用,那么电压环的带宽就必须远低于100Hz,只有带宽足够 低,控制环路才能够忽略这个100Hz的波动信号的影响。如果带宽较高,电压调节器就会识 别出这个波动,使电流指令的波形不再是正弦波,朝着使输出电压波动尽量小的方向调节 输入电流的波形。因此,输入电流波形的正弦程度和输出电压的波动大小是一对矛盾。
[0027] 从上面的分析可以看到,传统的PFC控制策略中,电压环的带宽受到很大的制约, 改善输入电流波形的途径主要是:1.增大输出电容,使输出电压的波动减小,从而使电压 调节器的输入误差信号的波动减小,达到改善电流指令信号波形的目的;2.降低电压环的 控制带宽,使电压调节器的输出信号变的更加平直,达到改善电流指令信号的目的。这两个 措施都会对产品产生负面影响.增大电容,会增加产品成本和体积。降低电压环控制带宽 会降低输出电压的动态调节能力。比如,当输出负载突变时,输出电压的波动会很大,不能 很快调节到希望的电压值。这个动态调整过程的幅度和时间达到一定程度,对客户来说往 往是不能够接受的。那些对负载动态变化调整性能要求较高的产品,往往采用两级结构,前 级为PFC,主要用于控制输入电流整形,后级为Drac,一个直流输入直流输出的变换器。后 级的作用主要有两个,一个是当产品需要绝缘时,提供绝缘:二是提高产品输出的动态调整 能力,后级的控制带宽较高,使负载突变时,或者PFC输出电压波