一种PFC电路的软启动装置、PFC电路及电器的制作方法

一种pfc电路的软启动装置、pfc电路及电器
技术领域
1.本发明涉及pfc电路控制技术领域，尤其涉及一种pfc电路的软启动装置、电路及电器。


背景技术：

2.变频空调普遍增加了功率因数校正（power factor correction，pfc）控制技术，以便提高功率因数，同时调节谐波电流，减少空调对电网的影响。
3.如图1所示，其为典型的pfc（power factor correction，功率因数）电路，这种电路采用升压的boost拓扑结构，这种pfc电路利用整流电路对交流电压进行桥式整流得到电压vac提供给电感器，且控制开关管的导通和截止使输入电流iac跟随vac的变化。该电路的工作原理为：电感在开关管导通时储存能量，在开关管截止时将储存的能量通过二极管给大的滤波电容充电，该滤波电容能够输出平滑化且稳定化的母线电压vdc。
4.参见图1，由于电路后端有较大的滤波电容，在上电瞬间母线上有较大的充电电流，会对电路上的整流器件有较大的冲击，严重的会损坏整流器件。
5.现有技术中有通过控制器（例如数字芯片）控制软起继电器电路中继电器的通断实现电路软启动的方案，通过控制器检测pfc电路的直流母线电压，当pfc母线电压升到足够高时，控制器发出一个信号，使得继电器吸合，短路软启动电阻，从而实现大功率电源的安全可靠的软启动。
6.上述软启动方案的缺点是需要在电路中增加启动电阻，在上电时将启动电阻串联在电路中，在充电结束后配合继电器短路启动电阻，实现上电瞬间的软启动，且该方法需要增加电路和继电器，增加电路硬件成本，且不利于电路的小型化，同时还要占用数字芯片的端口资源，同时增加元器件，降低了控制电路的可靠性。


技术实现要素：

7.本发明的实施例的目的之一在于提供一种pfc电路的软启动装置，多阶段渐进式启动pfc电路，减缓启动过程中的大脉冲电流，且降低电路成本，提高控制电路的可靠性。
8.为实现上述发明目的，本发明采用下述技术方案予以实现：本申请涉及一种pfc电路的软启动装置，其特征在于，包括：处理模块，其根据所设定的第一阶段、第二阶段和第三阶段依次启动pfc电路，具体用于：在所述第一阶段，控制电压外环和电流内环分别开环，根据设置的第一母线电压指令及所计算的占空比指令开环控制母线电压及输入电感电流，其中所述占空比指令与所述第一母线电压指令有关；在所述第二阶段，控制所述电压外环开环，根据设置的输入电流指令通过所述电流内环控制所述母线电压及输入电感电流；在所述第三阶段，根据设置的第二母线电压指令通过所述电压外环和电流内环控
制所述母线电压及输入电感电流。
9.本申请涉及的pfc电路的软启动装置，用于控制pfc电路三阶段渐进式开启，在第一阶段，控制电压外环和电流内环均开环，通过第一母线电压指令及占空比指令开环控制母线电压及输入电感电流，在第二阶段，控制电流内环闭环且电压外环开环，通过输入电流指令严格控制电流，在第三阶段，控制电流内环和电压外环均闭环，通过第二母线电压指令严格控制母线电压，多阶段渐进式缓慢启动pfc电路，使pfc电路缓慢过渡到稳定状态，避免产生大脉冲电流，降低对开关管及整流器件的电流冲击。
10.且本发明提出的软启动装置，不需要启动电阻和继电器，就可以实现pfc电路的软启动，降低了硬件电路的成本，提高了控制电路的可靠性。
11.在本申请中，所述第一母线电压指令为：；所述占空比指令d为：；为整流后的输入电压的平均值，i
ac
为输入电感电流的瞬时值，为输入电感电流的平均值，v1和v2分别为第一阶段中母线电压的最小值和最大值，t1为所述第一阶段的时长，t表示进入所述第一阶段的时间。
12.在本申请中，所述软启动装置还包括：电流设定单元，其用于设定第一电流阈值i1、第二电流阈值i2和第三电流阈值i3；电压设定单元，其用于设定v1、v2、母线电压阈值v3和母线电压阈值v4；其中在所述第一阶段中，所述输入电感电流的峰值大于等于i1且小于i2，且所述母线电压大于等于v1且小于v2；其中在所述第二阶段，所述输入电感电流的峰值大于等于i2且小于i3，且所述母线电压大于等于v2且小于v3；其中在所述第三阶段，所述输入电感电流的峰值大于等于i3，且所述母线电压大于等于v3且小于v4。
13.在本申请中，所述输入电流指令为：，；其中，f0为输入电源频率，θ1为进入所述第二阶段的交流电源电压相位偏差；t2为所述第二阶段的时长，t表示进入所述第二阶段的时间。
14.在本申请中，所述第二母线电压指令为：；其中，t3为所述第三阶段的时长，t表示进入所述第三阶段的时间。
15.在本申请中，所述软启动装置还包括：电流采样单元，其用于采样输入电感电流；
第一电压采样单元，其用于采样整流后的输入电压；第二电压采样单元，其用于采样母线电压；所述电流采样单元、第一电压采样单元和第二电压采样单元的采样时刻及采样周期相同。
16.在本申请中，所述处理模块还用于：在所述输入电感电流减小至i1时，或者所述母线电压减小至v1时，禁止所述pfc电路启动。
17.本申请另一方面提供了一种pfc电路，包括如上所述的软启动装置，能够实现多阶段pfc电路的软启动，缓慢建立pfc电路的稳定过程，避免启动过程中产生大脉冲电流，降低对器件的损害。
18.本申请再一方面提供了一种电器，包括如上所述的pfc电路，能够在提高功率因数的同时，调节谐波电流，减少电器对电网的影响。
19.在本申请中，所述电器包括：空调器、冰箱、电热水器、洗衣机、电视机。
20.结合附图阅读本发明的具体实施方式后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。
附图说明
21.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
22.图1是现有技术中pfc电路；图2是本发明提出的pfc电路的软启动装置一实施例的控制原理图；图3是本发明提出的pfc电路的软启动装置实施例在软启动过程中的母线电压、输入电感电流包络、及输入交流电压的波形图。
具体实施方式
23.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
24.基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
25.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。在上述实施方式的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
26.术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
27.pfc电路参考图1，其示出现有pfc电路。
28.pfc电路包括交流电源ac、整流桥bg1、电感l、开关管、二极管d4、电解电容e1和电解电容e2。
29.整流桥bg1的第一交流输入端连接至交流电源ac的零线端acn，整流桥bg1的第二交流输入端连接至交流电源ac的相线端acl。
30.整流桥bg1的直流侧正极连接至电感l的一端，电感l的另一端分为两路，一路连接至开关管igbt的集电极，另一路连接至二极管d4的阳极。
31.二极管d4的阴极为pfc电路的输出端，电解电容e1、电解电容e2均连接在二极管d4的阴极与地之间。
32.现有技术中对pfc电路的控制方案主要采用电压外环和电流内环的双闭环控制。
33.电流内环的作用是迫使输入电流跟踪输入电压的波形，呈正弦波形；电压外环的作用是使输出电压保持在高于输入电压峰值的电平上，并且可以起到稳定输出电压的作用。
34.在本申请中，利用pfc电路的双闭环控制方案，根据设置的不同阶段，pfc电路采取不同的启动策略，从而实现缓慢启动pfc电路，避免产生大脉冲冲击电流。
35.软启动装置图2示出了本申请中pfc电路的软启动装置的控制框图。图3示出了pfc电路的软启动装置实施例在软启动过程中的母线电压、输入电感电流滤包络、及输入交流电压的波形图。
36.结合图2和图3具体描述pfc电路的软启动的控制过程。
37.如下所描述的控制过程均是由处理模块来执行的。
38.在本申请中，根据测试效果，来划分pfc电路软启动的第一阶段、第二阶段和第三阶段。
39.第一阶段在第一阶段中，控制电压外环和电流内环均开环，且根据设置的第一母线电压指令及所计算的占空比指令控制母线电压及输入电感电流。
40.其中占空比指令与第一母线电压指令相关。
41.电压外环的输入端接收第一母线电压指令和和母线电压负反馈之和，其中母线电压负反馈为采样到的母线电压的负反馈。
42.电流内环的输入端接收电压外环输出的电压外环输出量和输入电流负反馈之和，其中输入电流负反馈为采样到的输入电感电流的负反馈。
43.设置第一母线电压阈值v1和第二母线电压阈值v2限定第一阶段的母线电压，且设置输入电感电流的峰值大于等于第一电流阈值i1且小于等于第二电流阈值i2。
44.在此阶段中，母线电压在第一母线电压阈值v1和第二母线电压阈值v2之间变化，输
入电感电流呈非正弦的半波电流，其峰值由第一电流阈值i1逐渐缓慢增加，但小于第二电流阈值i2。
45.在此阶段中，系统完全处于开环状态，通过第一母线电压指令及所计算的占空比指令直接控制占空比，防止存在闭环系统导致的大脉冲电流冲击，此阶段的动态响应过程可能会存在大信号的调整。
46.在此阶段中，第一母线电压指令v
ref
根据如下公式确定：。
47.v1和v2分别为第一阶段中母线电压的最小值和最大值，t1为第一阶段的时长，t表示进入第一阶段的时间。
48.占空比指令d根据如下公式确定：，其中v
ref
为如上第一母线电压指令中所获取的值。
49.为整流后的输入电压的平均值，可以通过电压采样单元采样整流后的输入电压，并计算采样后获取的输入电压v
ac
的平均值。
50.i
ac
为输入电感电流的瞬时值，可以通过电流采样单元采样回路中电流。
51.电流采样单元可以为在pfc电路中串联一个电流检测用电阻（例如图1中r
s
）。
52.为输入电感电流的平均值，可以通过计算采样后的i
ac
的平均值获取。
53.占空比指令输入至脉冲载波调制模块，输出调制pwm信号，该pwm信号为控制pfc电路中开关管导通/截止的脉冲信号。
54.在此阶段中，通过设置第一母线电压指令，控制占空比输出在可控范围内，电流不会出现大电流冲击。
55.在此阶段中，电压外环和电流内环处于全开环状态，控制母线电压到第二母线电压阈值v2时，pfc电路进入第二阶段。
56.在第二阶段，电感电流有效值（或平均值）会增加，即对应的电感电流的峰值也会增加，但峰值会限制在第二阶段内的第二电流阈值i2和第三电流阈值i3之间，保证不会出现较大电流。
57.如果负载减小，电感电流有效值（或者平均值）减小至第一电流阈值i1时，或者母线电压减小至第一母线电压阈值v1时，pfc电路的软启动过程关闭，进入启动前状态。
58.需要说明的是，v1和v2分别是为第一阶段中母线电压设置的第一母线阈值和第二母线电压阈值。
59.第一母线电压阈值v1、第二母线电压阈值v2、第一电流阈值i1和第二电流阈值i2都是可以通过测试效果进行调整的。
60.其中母线电压可以通过电压采样单元获取，此处的电压采样单元可以设计为分压电路。
61.第二阶段在第二阶段中，控制电压外环开环而电流内环闭环，且根据设置的输入电流指令控制母线电压及输入电感电流。
62.设置第二母线电压阈值v2和第三母线电压阈值v3限定第二阶段的母线电压，且如上所述，设置输入电感电流的峰值均大于等于第一电流阈值i1且小于等于第二电流阈值i2。
63.在此阶段中，母线电压从第二母线电压阈值v2逐渐增加到第三母线电压阈值v3。
64.此阶段目的在于对电感电流进行严格控制，设置了第二电流阈值i2和第三电流阈值i，电感电流的峰值在第二电流阈值i2和第三电流阈值i3之间变化。
65.由于在此阶段中，系统处于单电流内环闭环状态，设置输入电流指令控制母线电压及输入电感电流。
66.其中电压外环的输入端接收母线电压负反馈，其中，其中母线电压负反馈为采样到的母线电压的负反馈。
67.电流内环的输入端接收输入电流指令和输入电流负反馈之和，其中输入电流负反馈为采样到的输入电感电流的负反馈。
68.设置的输入电流指令如下。
69.，。
70.其中，f0为输入电源频率，θ1为进入第二阶段的交流电源电压相位偏差；k1为电流指令系数，是第二电流阈值i2和第三电流阈值i3的电流线性设定值，t2为第二阶段的时长，t表示进入第二阶段的时间。
71.此阶段目的使输入电感电流严格按照输入电流指令执行，使输入电感电流为跟随输入电流指令的正弦的半波电流，且峰值低于第三电流阈值i3。
72.在第二阶段中，输入电感电流为正弦的半波电流，且母线电压仍为波动的直流电压。
73.第三阶段在第三阶段中，控制电压外环和电流内环闭环，电路进入双闭环控制，且根据设置的第二母线电压指令控制母线电压及输入电感电流。
74.在第二阶段中，输入电感电流已呈正弦的半波电流，因此，在第三阶段中，并没有设置电流阈值。
75.此阶段的目的是对母线电压进行严格控制，设置第三母线电压阈值v3和第四母线电压阈值v4限定第三阶段的母线电压。
76.由于此阶段处于双闭环控制系统，必须设置母线电压指令控制母线电压及输入电感电流。
77.电压外环的输入端接收第二母线电压指令和母线电压负反馈之和，其中母线电压负反馈为采样到的母线电压的负反馈。
78.电流内环的输入端接收电压外环输出的电压外环输出量和输入电感电流的负反馈，其中输入电感电流的负反馈为采样到的输入电感电流的负反馈。
79.第二母线电压指令满足下列公式：；其中，v
ref
'为第三母线电压阈值v3到第四母线电压阈值v4之间的线性电压设定值，t3为第三阶段的时长，t表示进入第三阶段的时间。
80.在此阶段中，随着负载增加，输入电感电流正弦化程度增加，功率因数也会随之提高，母线电压为跟随第二母线电压指令比较平稳的直流电压，因此，可以实现pfc电路的缓慢启动，使pfc电路缓慢过渡到稳定状态。
81.在母线电压达到第四母线电压阈值v4时，pfc电路的软启动过程结束。
82.在第三阶段之后，输入电感电流为正弦的半波电流，且母线电压为平稳的的直流电压。
83.在本申请中，第一母线电压阈值v1、第二母线电压阈值v2、第三母线电压阈值v3和第四母线电压阈值v4近似呈线性增加，且大小由电压设定单元设定。
84.第一电流阈值i1、第二电流阈值i2及第三电流阈值i3也呈线性增加，且大小由电流设定单元设定。
85.本申请涉及的软启动装置，通过依次在三个阶段设置不同的控制指令，实现pfc电路的软启动，第一阶段中按照第一母线电压指令v
ref
及占空比指令d启动，第二阶段中按照输入电流指令i
ref
启动，第三阶段中按照第二母线电压指令v
ref
'启动，阶段性控制母线电压及输入电感电流，缓慢实现平稳的母线电压及正弦的输入电感电流，避免在pfc电路启动过程中产生大脉冲电流，降低对整流器件及开关管的损害。
86.且本申请涉及的软启动装置，不需要启动电阻和继电器，就可以实现pfc电路的软启动，降低了电路的成本，提高了控制电路的可靠性。
87.本发明还提供对应于pfc的软启动装置的一种pfc电路，包括如上所述的pfc电路的软启动装置。
88.该pfc电路能够实现软启动，且硬件电路投入成本及维护成本低，使在提高功率因数的同时，能够避免在pfc电路启动时产生大脉冲电流，降低对整流器件及开关管的损害。
89.本申请还提供对应于pfc电路的电器，包括如上所述的pfc电路。
90.在本申请中，该电器可以为空调器、冰箱、电热水器、洗衣机、电视机等应用。
91.通过设置pfc电路，能够提高电器的功率因数，从而提高电网电能的利用效率。
92.以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其进行限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的普通技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所要求保护的技术方案的精神和范围。