本发明属于功率因数校正领域，更具体地，涉及一种图腾柱pfc的全数字控制方法及装置。
背景技术：
为了解决电力电子装置对电网造成的谐波污染，功率因数校正(pfc，powerfactorcorrection)技术得到了飞速发展。相对于有桥boostpfc，无桥boostpfc效率更高，体积更小，但传统的无桥boostpfc共模干扰强，emi较大。图腾boostpfc作为无桥boostpfc的一种演变电路，拥有高效率高功率密度，低共模干扰等诸多优势，但是传统的simosfet寄生体二极管反向恢复时间长，反向恢复损耗严重，只能工作在crm模式下，输入电流纹波和thd较大，限制了图腾pfc的实际应用。由于宽禁带半导体的材料特性，基于gan的mosfet寄生体二极管特性更好，可以有效解决上述问题，使图腾pfc工作在ccm模式下，因此随着宽禁带半导体制造工艺的迅速发展，基于ganmosfet的图腾pfc近年来又得到了广泛关注。
传统的pfc模拟控制所需外围电路多，设计复杂，可靠性低，而图腾pfc需要采集电感电流，输出电压，输入电压极性等信息，控制装置复杂，因此图腾pfc更适合采用控制方式灵活，设计成本低的数字控制方法。数字控制与模拟控制相比，有控制滞后的缺陷，使得数字控制图腾pfc内环电流环带宽相对模拟控制图腾pfc较低，导致控制器跟踪工频电流能力较差，输入电流thd较大，同时系统稳定裕度小。通过引入占空比前馈可以一定程度解决以上问题，然而由于计算占空比前馈所需信号之一来自直接采集得到的输入实时电压，使得最终的占空比输出容易受到干扰，降低了系统在高压大功率下运行的稳定性。此外，pfc电路一般需要适应85vac～265vac的宽输入电压范围，传统的模拟控制由于实时性好，控制参数适应性强，而数字控制若仍采用模拟控制的控制参数设计方法，很难在全电压范围内达到较优的控制效果。
技术实现要素：
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种图腾柱pfc的全数字控制方法及装置，旨在解决现有技术中图腾柱pfc数字控制易被干扰和控制效果不佳的问题。
本发明提供了一种图腾柱pfc的全数字控制方法，包括下述步骤：
(1)采集图腾pfc输入电压vac，并当所述输入电压vac过零时输出过零检测信号；并捕获所述过零检测信号的翻转边沿，通过在每个输入电压过零时刻进行数字锁相，直到所述输入电压vac的过零点与数字控制器内部正弦表过零点无偏差时完成数字锁相；
(2)当锁相完成后通过在数字控制器内部进行输入电压有效值计算获得输入电压有效值vrms；并根据所述输入电压有效值vrms的大小选择相应的控制参数对输入电流波形和输出电压大小进行控制；
(3)采集输出电压vdc，并将所述输出电压vdc与变换器设定的输出指令电压vdc-ref做差后获得误差信号verr，所述误差信号verr经过电压外环调节器校正后得到输入功率指令pin-ref；
(4)当锁相完成后通过查询控制器内部提前存储的离散正弦表获取当前输入电压相位值vphase_tab，并根据当前输入电压相位值vphase_tab和所述输入电压有效值vrms获得输入电压实时值vinac；
(5)通过查询控制器内部提前存储的除法表获得输入电压有效值平方的倒数1/v2rms，并根据所述倒数1/v2rms，所述输入电压实时值vinac和所述输入功率指令pin-ref获得输入电流指令值il-ref；
(6)采集输入电流il，并将所述输入电流il与所述输入电流指令值il-ref做差后获得误差信号ierr，所述误差信号ierr经过电流内环调节器校正后获得输出占空比d1，并将前馈占空比d2乘以比例系数km后与所述输出占空比d1相加后获得最终输出pwm信号占空比d，根据所述占空比d输出用于驱动图腾pfcganmosfet桥臂的驱动信号。
其中，比例系数km为保证变换器稳定的前提下所能取到的最大值，比例系数km的取值范围为0.9～0.95。
更进一步地，在步骤(2)中，所述电压有效值
更进一步地，在步骤(2)中，若输入电压有效值在85v～165v内，选择低压控制参数，即适用于低输入电压下的电压外环补偿器参数kvp和kvi，电流内环补偿器参数kip和kii，若输入电压有效值在165～265v内，选择高压控制参数，即适用于高输入电压下的电压外环补偿器参数kvp和kvi，电流内环补偿器参数kip和kii。
更进一步地，在步骤(4)中，输入电压实时值vinac＝vphase_tab*vrms。
更进一步地，在步骤(5)中，输入电流指令值
更进一步地，在步骤(6)中，实时前馈占空比
本发明还提供了一种图腾柱pfc的全数字控制装置，包括：输出电压监测模块，用于采集图腾pfc直流输出电压vdc；输入电压监测模块，用于采集图腾pfc输入电压vac并判断输入电压vac的极性；输入电流监测模块，用于采集图腾pfc输入电流il；以及数字控制器，用于实现数字锁相，计算输入电压有效值与实时值，且根据输入电压vac，输出电压vdc和输入电流il获得的用于驱动图腾pfcganmosfet桥臂的驱动信号。
更进一步地，所述数字控制器包括：pll模块，输入电压有效值计算模块，输入电压相位计算模块，前馈占空比计算模块，pwm输出模块，电压外环调节器，电流内环调节器，平方求倒模块，第一求和模块、第二求和模块、第三求和模块，第一乘法模块、第二乘法模块和第三乘法模块；pll模块的输入端用于连接至输入电压监测模块的输出端，输入电压有效值计算模块的输入端连接至pll模块的第一输出端，输入电压相位计算模块的输入端连接至pll模块的第二输出端，第二乘法模块的第一输入端连接至输入电压有效值计算模块的输出端，第二乘法模块的第二输入端连接至输入电压相位计算模块的输出端，平方求倒模块的输入端连接至输入电压有效值计算模块的输出端，第一求和模块的第一输入端用于接收输出指令电压vdc-ref，第一求和模块的第二输入端用于连接至输出电压监测模块的第二输出端，电压外环调节器的输入端连接至第一求和模块的输出端，第一乘法模块的第一输入端连接至电压外环调节器的输出端，第一乘法模块的第二输入端连接至平方求倒模块的输出端，第三乘法模块的第一输入端连接至第一乘法模块的输出端，第三乘法模块的第二输入端连接至第二乘法模块的输出端，第二求和模块的第一输入端连接至第三乘法模块的输出端，第二求和模块的第二输入端用于连接至输入电流监测模块的输出端，电流内环调节器的输入端连接至第二求和模块的输出端，第三求和模块的第一输入端连接至电流内环调节器的输出端，第三求和模块的第二输入端连接至所述前馈占空比计算模块的输出端，pwm输出模块的输入端连接至第三求和模块的输出端，pwm输出模块的输出端用于输出驱动图腾pfcganmosfet桥臂的驱动信号；前馈占空比计算模块的第一输入端连接至第二乘法模块的输出端，前馈占空比计算模块的第二输入端用于连接至输出电压监测模块的输出端。
本发明通过引入占空比前馈，使得电流内环调节器仅需抑制小信号扰动，大大提高了控制器跟踪工频正弦电流的能力，解决了数字控制图腾pfc控制效果不佳的问题；采集输入电压过零点进行数字锁相，通过查询正弦表获得输入电压相位值，采集输入电压实时值进行有效值计算，利用计算得到的输入电压实时值作为输入电流指令值和前馈占空比计算模块输入值，从而消除了输入电压采样偏差带来的输出占空比扰动，提高了数字控制图腾pfc的抗干扰性和稳定性。
附图说明
图1为图腾柱pfc主电路拓扑结构示意图；
图2为采用本发明数字控制图腾柱pfc控制装置结构示意图；
图3为本发明图腾pfc全数字控制方法的流程图；
图4为本发明图腾pfc全数字控制方法的控制框图；
图5中，(a)为现有技术提供的控制方法控制的图腾pfc在高压高功率场合下输入电流波形展开图、输入电压波形和输出电压波形图；(b)为本发明提供的控制方法控制的图腾pfc在高压高功率场合下输入电流波形展开图、输入电压波形和输出电压波形图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供了一种图腾柱pfc的全数字控制方法，降低了输入电流thd，提高数字pfc抗干扰程度。
本方法包括如下步骤：
(1)电压外环控制方法：
(a)监测图腾pfc输入交流电压，当监测到图腾pfc输入交流电压过零时，监测模块发出过零检测信号，数字控制器捕获过零检测信号翻转边沿，进行数字锁相；
(b)监测图腾pfc输入交流电压，采集输入电压实时值vac，在数字控制器中进行计算得到输入电压有效值vrms，并根据输入电压有效值范围选择相应的控制参数，若输入电压为低压，则电压外环调节器和电流内环调节器选择低压控制参数，若输入电压为高压，则电压外环调节器和电流内环调节器选择高压控制参数；
(c)监测图腾pfc输出母线电压vdc，与参考电压vdc-ref做差得到指令电压vdc-ref与当前实际母线电压vdc的电压误差信号verr，电压误差信号verr经过电压外环调节器校正后得到输入功率指令pin-ref；
(2)电流内环控制方法：
(d)锁相完成后，通过查表获取当前输入电压相位值，并与输入电压有效值vrms相乘，得到计算出的输入电压实时值vinac；
(e)通过查表计算输入电压有效值平方的倒数1/v2rms，并与计算出的输入电压实时值vinac，输入功率指令pin-ref相乘，得到输入电流指令值il-ref；
(f)监测输入电流il，与输入电流指令值il-ref做差，得到误差信号ierr，经过电流内环调节器校正后得到输出pwm信号占空比d1；
boost电路输入输出电压稳态关系式如下式(1)所示：
(g)利用计算出的输入电压vinac计算前馈占空比d2，消除输入电压采样带来的干扰，将前馈占空比d2与电流内环调节器输出占空比d1相加，得到最终输出pwm信号占空比d，并通过pwm模块得到用于驱动图腾pfcganmosfet桥臂的驱动信号s1，s2。
如图2所示，本发明实施例还提供了一套适用于上述控制方法的图腾柱pfc控制装置，包括：
输出电压监测模块，用于采集图腾pfc直流输出电压；
输入电压监测模块，用于采集输入电压和输入电压极性判断；
输入电流监测模块，用于采集图腾pfc输入电感电流；
数字控制器，用于数字锁相，计算输入电压有效值与实时值，并且产生由上述控制方法计算得到的pwm信号。
其中，数字控制器包括：pll模块8，输入电压有效值计算模块9，输入电压相位计算模块10，前馈占空比计算模块18，pwm输出模块19，电压外环调节器4，电流内环调节器16，平方求倒模块20，第一求和模块3、第二求和模块15、第三求和模块17，第一乘法模块5、第二乘法模块11和第三乘法模块12；pll模块8的输入端用于连接至输入电压监测模块7的输出端，输入电压有效值计算模块9的输入端连接至pll模块8的第一输出端，输入电压相位计算模块10的输入端连接至pll模块8的第二输出端，第二乘法模块11的第一输入端连接至输入电压有效值计算模块9的输出端，第二乘法模块11的第二输入端连接至输入电压相位计算模块10的输出端，平方求倒模块20的输入端连接至输入电压有效值计算模块9的输出端，第一求和模块3的第一输入端用于接收输出指令电压vdc-ref，第一求和模块3的第二输入端用于连接至输出电压监测模块2的第二输出端，电压外环调节器4的输入端连接至第一求和模块3的输出端，第一乘法模块5的第一输入端连接至电压外环调节器4的输出端，第一乘法模块5的第二输入端连接至平方求倒模块20的输出端，第三乘法模块12的第一输入端连接至第一乘法模块5的输出端，第三乘法模块12的第二输入端连接至第二乘法模块11的输出端，第二求和模块15的第一输入端连接至第三乘法模块12的输出端，第二求和模块15的第二输入端用于连接至输入电流监测模块14的输出端，电流内环调节器16的输入端连接至第二求和模块15的输出端，第三求和模块17的第一输入端连接至电流内环调节器16的输出端，第三求和模块17的第二输入端连接至前馈占空比计算模块18的输出端，pwm输出模块19的输入端连接至第三求和模块17的输出端，pwm输出模块19的输出端用于输出驱动图腾pfcganmosfet桥臂的驱动信号；前馈占空比计算模块18的第一输入端连接至第二乘法模块11的输出端，前馈占空比计算模块18的第二输入端用于连接至输出电压监测模块2的输出端。
本发明通过引入占空比前馈，使得电流内环调节器仅需抑制小信号扰动，大大提高了控制器跟踪工频正弦电流的能力，解决了数字控制图腾pfc控制效果不佳的问题；采集输入电压过零点进行数字锁相，通过查询正弦表获得输入电压相位值，采集输入电压实时值进行有效值计算，利用计算得到的输入电压实时值作为输入电流指令值和前馈占空比计算模块输入值，从而消除了输入电压采样偏差带来的输出占空比扰动，提高了数字控制图腾pfc的抗干扰性和稳定性。
本例1为一个采用本发明控制方法的图腾柱pfc控制过程，本例所采用的技术参数如下所示：输入滤波电感选用铁镍磁粉芯磁环，直径0.51mm漆包线13股并绕绕制而成，静态电感750uh@0a；开关管选用transphormusa公司生产的tph3207ws，额定电压650v，额定电流50a；母线电容选择四个容值为330uf的电解电容与两个容值为270uf的电解电容并联，耐压均为450v，总母线电容为1620uf；额定输入电压为220v，额定母线电压为390v，额定输出功率为3300w，开关频率fswitch40khz；在以上技术参数下，根据实验和仿真结果，获得输入电压在85v～165v范围内时电压外环补偿器参数为kvp＝12，kvi＝0.018375，电流内环补偿器参数为kip＝0.015，kii＝0.00075，输入电压在165v～265v时电压外环补偿器参数为kvp＝23.5，kvi＝0.018375，电流内环补偿器参数为kip＝0.04449，kii＝0.000489。
下面结合附图对本发明进行详细描述。
本发明控制方法控制的图腾柱pfc主电路拓扑结构如图1所示，单相交流电源ac一端通过升压电感l与q1、q2组成的ganmosfet桥臂中点相连，另一端与d1、d2组成的二极管桥臂中点相连，直流侧输出端并联有滤波电容co和直流负载电阻rl，基于此电路拓扑，建立采用本发明控制方法的控制装置结构如图2所示，控制装置包括：输入电压监测模块7，输入电流监测模块10，输出电压监测模块2和数字控制器，其中，数字控制器包括：pll模块8，输入电压有效值计算模块9，输入电压相位计算模块10，前馈占空比计算模块18，pwm输出模块19，电压外环调节器4，电流内环调节器16，平方求倒模块20，第一求和模块3、第二求和模块15、第三求和模块17，第一乘法模块5、第二乘法模块11、第三乘法模块12。输入电压监测模块7、输入电流监测模块10和输出电压监测模块2分别采集输入电压、输入电流和输出电压后送入数字控制器；pll模块8获取输入电压过零信息，实现数字锁相功能；输入电压有效值计算模块9通过累加计算输出输入电压有效值，平方求倒模块20对输入电压有效值进行平方后求倒数运算；输入电压相位计算模块10获取pll模块信息后计算得到输入电压相位值；第二乘法器11将输入电压相位计算模块输出值与输入电压有效值计算模块输出值相乘作为前馈占空比模块输入信号；第一求和模块3将输出电压指令值与输出电压实时值做差得到误差信号，电压调节器对误差信号进行调节补偿；第一乘法模块5和第三乘法模块12将电压外环调节器输出信号、平方求倒模块输出信号和第二乘法器11输出信号进行乘法运算，获得输入电流参考信号；第二求和模块15将输入电流参考信号与输入电流实时值做差获得输入电流误差信号，电流内环调节器对电流误差信号进行调节补偿，输出前向通道占空比d1；前馈占空比信号获取来自第二乘法器11的输入电压信号以及来自输出电压监测模块的输出电压信号，计算得到前馈占空比d2；第三求和模块17将前向通道占空比d1和前馈占空比d2相加后送入pwm输出模块，输出驱动信号sq1和sq2，对q1和q2进行控制。所提出控制装置对应的控制框图如图4所示，通过数字锁相和查表获取输入电压相位值，然后通过累加计算获取输入电压有效值，再将两者相乘获取计算得到的输入电压实时值，将输出电压参考值与输出电压实时值做差得到输出电压误差信号，通过pi形式的电压外环调节器进行调节补偿，通过查表的方式获取输入电压有效值平方的倒数，并与计算得到的输入电压实时值和电压外环调节器输出信号相乘得到输入电流参考值，然后通过pi形式的电流内环调节器进行调节补偿获得前向通道占空比d1，再通过前馈占空比计算公式获得前馈占空比d2，与前向通道占空比d1相加得到最终输出占空比。
其相应的控制方法流程图如图3所示，具体步骤如下：
(1)电压外环控制方法：
(1.1)利用输入电压监测模块采集图腾pfc输入电压vac，当监测到输入电压过零时，输入电压检测模块发出过零检测信号，数字控制器通过cap模块捕获过零检测信号翻转边沿，通过锁相环在每个输入电压过零时刻进行数字锁相，直到检测到的输入电压过零点与数字控制器内部正弦表过零点连续超过200个工频周期无偏差，则数字锁相完成；
(1.2)锁相完成后，在数字控制器内部进行输入电压有效值计算，得到输入电压有效值vrms，与传统模拟控制将输入电压有效值进行分级不同，本发明中的全数字控制方法可以实时计算输出电压有效值，计算方法如下：
利用输入电压监测模块采集输入电压实时值vac，将每次采集到的输入电压实时值vac累加，半个工频周期的累加点数为
(1.3)通过上述有效值计算方法得到输入电压有效值后，根据计算得到的输入电压有效值大小选择相应的控制参数，若输入电压有效值在85v～165v内，选择低压控制参数，即适用于低输入电压的电压外环补偿器参数kvp＝12，kvi＝0.018375，电流内环补偿器参数kip＝0.015，kii＝0.00075，若输入电压有效值在165～265v内，选择高压控制参数，即适用于高输入电压的电压外环补偿器参数kvp＝23.5，kvi＝0.018375，电流内环补偿器参数kip＝0.04449，kii＝0.000489；
(1.4)利用输出电压监测模块采集输出电压vdc，与输出指令电压vdc-ref做差，得到误差信号verr，经过电压外环调节器校正后得到输入功率指令pin-ref；
(2)电流内环控制方法：
(2.1)锁相完成后，通过查询控制器内部提前存储的离散正弦表获取当前输入电压相位值vphase_tab，并与输入电压有效值vrms相乘，得到计算出的输入电压实时值vinac，其表达式如式(5)所示；vinac＝vphase_tab*vrms……(5)；
(2.2)通过查询控制器内部提前存储的除法表计算输入电压有效值平方的倒数1/v2rms，并与计算出的输入电压实时值vinac，输入功率指令pin-ref相乘，得到输入电流指令值il-ref，其表达式如式(6)所示；
(2.3)利用输入电流监测模块采集输入电流il，与输入电流指令值il-ref做差，得到误差信号ierr，经过电流内环调节器校正后得到输出pwm信号占空比d1，通过式(3)计算出实时前馈占空比d2，将前馈占空比d2乘以比例系数km，km为保证变换器稳定的前提下所能取到的最大值，一般为0.9～0.95，然后与电流内环调节器输出占空比d1相加，得到最终输出pwm信号占空比d，并通过pwm模块得到用于驱动图腾pfcganmosfet桥臂的驱动信号s1，s2。
为验证本发明所述控制方法的控制性能，本例2将现有技术所述的直接将模拟控制方法移植到数字控制，采集输入电压实时值作为输入电流指令，仅利用电流内环带宽跟踪输入电流指令波形的这种方法与例1所采用的控制方法进行对比，在技术参数如前所述的图腾柱pfc电路上分别进行控制，并利用美国tektronix公司生产的型号为tps024b示波器分别采集不同控制方法下输入电流波形，输出电压波形和输入电压波形如图5(a)、(b)所示。对照图5(a)、(b)可以看出：在相同技术参数下，若采用现有技术所述的控制方法，由于数字延时带来的影响使得电流内环带宽有限，跟踪工频电流波形能力不如模拟控制，输入电流过零点附近畸变很大，输入电流由于直接以采集到的输入电压波形为指令，电流波形存在很多毛刺，利用hioki公司生产的型号为3390的功率分析仪测得输入电流thd为18.59％；采用本发明所述的全数字控制方法后，输入电流波形有了良好改善，能够很好的跟踪输入电压波形，利用hioki公司生产的型号为3390的功率分析仪测得输入电流thd为2.53％。
根据实验结果，可以明显看出，本发明提供的全数字控制方法控制效果优于现有的直接移植模拟控制的方法，能够明显降低输入电流thd，消除输入电压采样干扰，非常适用于例如车载充电机等对输入电流thd要求较高的场合。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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。