一种前级PFC与后级DCDC联合控制方法与流程

一种前级pfc与后级dcdc联合控制方法
技术领域
1.本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种前级pfc与后级dcdc联合控制方法。


背景技术：

2.随着电力电子技术的发展，ac/dc变换器已经成为各种电路中常用的电路，ac/dc变换器通常由pfc(功率因数校正)前级和dc/dc(直流变换器)后级组成，因此ac/dc的最优状态通常是pfc和dc/dc都处于最优时才能达到。但是由于pfc通常使用boost升压型拓扑，故其电压通常情况下是不能进行调整的，从而造成ac/dc不能始终工作在最优状态。
3.为解决这一问题，现有技术中，有一种电压可调节pfc电路，包括pfc电路，连接在pfc电路上的电感lf3、控制ic，与控制ic连接的电压反馈回路，连接在电压反馈回路上的电阻r22，还包括pfc电压调节电路，pfc电压调节电路的输入端由二极管d15，电容c31、c32，电阻r56、r57组成，该输入端接在ac整流后的pfc+端到地，pfc电压调节电路的输出端由比较器u5、电阻r58组成，该输出端与电压反馈回路连接，当ac电压低时，比较器u5不导通，电阻r58悬空，pfc电路输出低电压，当ac电压高时，比较器u5导通，电阻r58与电阻r22并联，pfc电路输出高电压。能减少电能损耗、提高pfc电路的工作效率。
4.虽然上述方案中pfc输出的电压能够调节，但是其调节范围只在360v
‑
420v之间，并且其只能在最大输入电压的峰值电压往上调节，并不能根据实际需求的变化动态调节pfc的输出电压。故，本方案要解决的技术问题是能够实现pfc的输出电压在调压范围内动态调节。


技术实现要素：

5.本发明意在提供一种前级pfc与后级dcdc联合控制方法，使pfc的输出电压根据后级dc/dc的需求在调压范围内动态调节。
6.为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种前级pfc与后级dcdc联合控制方法，包括以下步骤：
7.步骤s1，设定前级pfc主电路输出电压u0的调压范围，以及后级dc/dc模块的输出电压u01、dc/dc的占空比和输出电流i01，并将所述输出电压u01、dc/dc的占空比和输出电流i01作为反馈信息发送至前级pfc主电路；
8.步骤s2，前级pfc主电路接收所述反馈信息，通过预设调压策略进行前级pfc主电路输出电压u0的调节，调节完成后将输出电压u0发送至后级dc/dc模块；所述预设调压策略为，
9.设定电压pi调节器的给定电压u1和后级dc/dc模块的调节系数k，通过所述给定电压u1与所述调节系数k计算得到电压pi调节器的前端电压u3；
10.采集前级pfc主电路的输出数据得到输出电压取样u11和输出电流取样i8，并通过输出电压取样u11与所述前端电压u3计算得到电压偏差u2；
11.将所述电压偏差u2发送至电压pi调节器，电压pi调节器根据所述电压偏差u2调节
自身输出电压u5；
12.对全波电压进行采集，得到全波取样电压u6，并通过全波取样电压u6与所述输出电压u5计算得到电流pi调节器的给定电流i6；
13.给定电流i6与所述输出电流取样i8计算得到电流偏差i7后，将电流偏差i7发送至电流pi调节器，电流偏差i7经电流pi调节器调节后得到输出电压u7；
14.电流pi调节器将所述输出电压u7发送至前级pfc主电路，所述输出电压u7根据预设调节方法对前级pfc主电路进行调节后得到输出电压u0，并将所述输出电压u0发送至后级dc/dc模块；
15.步骤s3，后级dc/dc模块接收所述输出电压u0，并对所述输出电压u0按照预设处理方案进行处理后输出。
16.本方案的原理及优点是：实际应用时，根据后级dc/dc的输出电压和输出功率的要求，产生一个电压调节信号，再根据后级dc/dc的需求，设置调节器的给定电压和调节系数，通过将给定电压与调节系数相乘得到电压pi调节器的前端电压，然后再采集前级pfc主电路的输出电压得到取样电压，通过用前端电压减去取样电压得到电压偏差，从而根据电压偏差来调节电压pi调节器的输出电压和输出电流；随后采集全波电压与电压pi调节器的输出电压相乘得到电流pi调节器的给定电流，然后通过与输出电流计算出电流偏差，来调节电流pi调节器的输出电压，实现对前级pfc主电路占空比的调节，进而对前级pfc主电路的输出电压进行调节，使前级pfc主电路的输出电压能根据后级dc/dc模块的需求动态调节，保证ac/dc变换器始终工作在最优状态。
17.本方案的优点在于能够根据后级dc/dc模块输出电压或者输出功率的实际需求，通过pi调节器动态调节前级pfc主电路的输出电压，使后级dc/dc模块的输出电压能够在预设的大范围内动态调节，从而适应不同的负载需求，使ac/dc变换器的应用范围更广泛。相比于现有的调节手段，能够从原来的固定电压值调节改进到电压的动态调节，使ac/dc变换器能够在提供稳定输出电源的前提下，通过内部电压的调节，减小功耗，提高效率。
18.优选的，作为一种改进，输出数据包括输出电压u0、输出电流i0和其他数据。
19.采集电压和电流数据不仅能够清楚地知道当前前级pfc主电路的工作状态，同时也能为后续对前级pfc主电路的电压调节提供对比数据；除了电压和电流，还可以采集其他的数据，例如功率，电压幅值等，同样能够为前级pfc主电路的电压调节提供数据支持。
20.优选的，作为一种改进，给定电压u1与所述调节系数k计算得到电压pi调节器的前端电压u3为，将给定电压u1与调节系数k相乘得到电压pi调节器的前端电压u3。
21.根据后级dc/dc模块的需求，反馈回来电压调节信号，即电压调节系数k，则通过将给定电压u1与调节系数k相乘，就可以得到电压u3，再反馈至电压pi调节器中，从而实现对前级pfc主电路输出电压的调节，达到满足后级dc/dc模块需求的目的。
22.优选的，作为一种改进，通过输出电压取样u11与所述前端电压u3计算得到电压偏差u2为，将所述前端电压u3减去所述输出电压取样u11，得到电压偏差u2。
23.通过采集当前时刻前级pfc主电路实际的输出电压，再与此前计算出来的电压pi调节器的前端电压作对比得到电压偏差，再通过电压pi调节器实现对此误差的反馈调节，使前级pfc主电路实际的输出电压能够满足后级dc/dc模块的使用需求。
24.优选的，作为一种改进，给定电流i6与输出电流取样i8计算得到电流偏差i7为，将
给定电流i6减去所述输出电流取样i8得到电流偏差i7。
25.通过计算出当前时刻实际的输出电流与给定电流之间的误差，并将误差反馈给电流pi调节器对输出电流进行调节，从而使前级pfc主电路实际的输出电流能够满足后级dc/dc模块的需求。
26.优选的，作为一种改进，调节系数k为分数，包括分母和分子；分母为电压pi调节器的给定电压u1，所述分子为所述调压范围。
27.调节系数k的分母为给定电压u1，分子为调压范围内的任意值，则调节系数k根据给定电压和前级pfc主电路的调压范围来确定，使最后对前级pfc主电路的输出电压的调节更准确，从而提高电压调节的准确率，保证ac/dc变换器的工作效果。
28.优选的，作为一种改进，调压范围为120v
‑
330v；给定电压u1为3.3v。
29.根据后级dc/dc模块的需求，将前级pfc主电路的调压范围设置为120v
‑
330v，使前级pfc主电路的输出电压在此范围内动态调节，从而动态调节后级dc/dc的输出电压，使后级dc/dc模块的输出电压能够满足需求，最终使ac/dc变换器始终工作在最优状态；给定电压的具体大小是与调节系数k匹配的，最终的目的是使pfc调压范围能够满足120v
‑
330v的要求，使整个电压调节工作顺利进行。
30.优选的，作为一种改进，预设调节方法为，所述输出电压u7对前级pfc主电路的占空比进行控制调节。
31.通过输出电压u7对前级pfc主电路的占空比进行调节，从而使前级pfc主电路电压产生变化，从而实现对前级pfc主电路输出电压的调节。
32.优选的，作为一种改进，前级pfc主电路能够实现交流电的功率因数校正和整流功能。
33.在前级pfc主电路中，对输入的交流电的电流波形进行控制，使其与输入的电压波形同步，从而提高功率因数；当完成功率因数校正后，再进行整流后将电压传递到后级dc/dc模块中。
34.优选的，作为一种改进，预设处理方案为，后级dc/dc模块对所述输出电压u0进行电气隔离和变电压处理。
35.后级dc/dc模块对其输入的电压进行隔离，可以有效地隔离来自一次侧设备带来的干扰对整个ac/dc变换器的影响，使dc/dc后续接入的负载能够稳定的工作，同时根据需求对电压进行变压，通过在后级dc/dc模块设置不同的占空比，实现对输出电压大小的调节，使其能够满足负载需求，保证ac/dc变换器处于最优工作状态。
附图说明
36.图1为本发明一种前级pfc与后级dcdc联合控制方法实施例一的调压原理示意图。
37.图2为本发明一种前级pfc与后级dcdc联合控制方法实施例一的pi调节器原理图。
具体实施方式
38.下面通过具体实施方式进一步详细说明：
39.说明书附图中的附图标记包括：电压pi调节器1、电流pi调节器2、前级pfc主电路3、后级dc/dc模块4。
40.实施例一：
41.本实施例基本如附图1所示：一种前级pfc与后级dcdc联合控制方法，包括以下步骤：
42.步骤s1，设定前级pfc主电路3输出电压u0的调压范围，以及后级dc/dc模块4的输出电压u01、dc/dc的占空比和输出电流i01，并将所述输出电压u01、dc/dc的占空比和输出电流i01作为反馈信息发送至前级pfc主电路3。
43.步骤s2，前级pfc主电路3接收所述反馈信息，通过预设调压策略进行前级pfc主电路3输出电压u0的调节，调节完成后将输出电压u0发送至后级dc/dc模块4；所述预设调压策略为，
44.设定电压pi调节器1的给定电压u1和后级dc/dc模块4的调节系数k，通过所述给定电压u1与所述调节系数k计算得到电压pi调节器1的前端电压u3；
45.采集前级pfc主电路3的输出数据得到输出电压取样u11和输出电流取样i8，并通过输出电压取样u11与所述前端电压u3计算得到电压偏差u2；
46.将所述电压偏差u2发送至电压pi调节器1，电压pi调节器1根据所述电压偏差u2调节自身输出电压u5，并将所述输出电压u5发送至电流pi调节器2；
47.对全波电压进行采集，得到全波取样电压u6，并通过全波取样电压u6与所述输出电压u5计算得到电流pi调节器2的给定电流i6；
48.给定电流i6与所述输出电流取样i8计算得到电流偏差i7后，将电流偏差i7发送至电流pi调节器2，电流偏差i7经电流pi调节器2调节后得到输出电压u7；
49.电流pi调节器2将所述输出电压u7发送至前级pfc主电路3，所述输出电压u7根据预设调节方法对前级pfc主电路3进行调节后得到输出电压u0，并将所述输出电压u0发送至后级dc/dc模块4。
50.步骤s3，后级dc/dc模块4接收所述输出电压u0，并对所述输出电压u0按照预设处理方案进行处理后输出。
51.如附图2所示，pi调节器即比例、积分调节器，是一种线性控制器，它根据给定值与实际输出值构成控制偏差，将偏差的比例和积分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。电压pi调节器1和电流pi调节器2能够根据比例、积分的调节方式对ac/dc变换器的电压、电流的误差进行调节。
52.全波电压为将正弦电压中小于零的部分整流成大于零后，形成的波形全为正的电压。
53.本实施例中，调压范围为120v
‑
330v，采用的后级dc/dc模块4的电压变换比为1/5，实际的输出电压u01为40v，则前级pfc主电路3实际的输出电压为200v；设定输出电压u01为48v，则前级pfc的输出电压u0为240v，后级dc/dc模块4的调节系数k为240/330。为对应电压pi调节器和电流pi调节器组成的控制回路电压、电流的设定要求，将前级pfc主电路实际输出的电压、电流值均缩小100倍反馈至电压pi调节器和电流pi调节器组成的控制回路中。
54.根据后级dc/dc模块4的需求，设定后级dc/dc模块4的输出电压值后，能通过反馈的调节系数k与设置的给定电压u1相乘得到所要调节的具体电压值，然后根据采集到的前级pfc主电路3实际的输出电压与调节电压对比得到电压偏差，通过电压偏差来调节电压pi调节器1的输出电压和输出电流，随后采集全波电压与电压pi调节器1的输出电压相乘得到
电流pi调节器2的给定电流，然后通过与输出电流计算出电流偏差，来调节电流pi调节器2的输出电压，实现对前级pfc主电路3占空比的调节，进而对前级pfc主电路3的电压有效值进行调节，最终实现对后级dc/dc模块4输入电压的调节。整个调节过程简单清晰，采用的电压值也是常见易得到的电压，使对前级pfc主电路3输出电压的调节更便捷。
55.本实施例具体实施过程如下：
56.第一步，设定前级pfc主电路3输出电压u0的调压范围为120v
‑
330v，以及后级dc/dc模块4的输出电压u01为48v，后级dc/dc模块4的电压变换比为1/5，输出电流i01为2a，并将所述输出电压u01、dc/dc的占空比和输出电流i01作为反馈信息发送至前级pfc主电路3。
57.第二步，前级pfc主电路3接收反馈信息，设定电压pi调节器1的给定电压u1为3.3v和后级dc/dc模块4的调节系数k为240/330，将给定电压u1与调节系数k相乘得到电压pi调节器1的前端电压u3为2.4v。
58.第三步，采集前级pfc主电路3的输出数据得到输出电压取样u11为2v，用前端电压u3减去输出电压u11，得到电压偏差u2为2.4v
‑
2v＝0.4v；将电压偏差u2发送至电压pi调节器1，因为电压偏差u2为正，说明前端电压u3大于输出电压u11，电压pi调节器1将自身输出电压u5增大至2.4v输出。
59.第四步，对全波电压进行采集，得到全波取样电压u6，并通过全波取样电压u6与所述输出电压u5相乘得到电流pi调节器2的给定电流i6，使输出电流的波形变为与电压波形相同的正弦波，用给定电流i6减去前级pfc主电路3的输出电流取样i8，得到电流偏差i7，将电流偏差i7发送至电流pi调节器2，电流偏差i7经电流pi调节器2调节后得到输出电压u7。
60.第五步，电流pi调节器2将所述输出电压u7发送至前级pfc主电路3，输出电压u7对前级pfc主电路3的占空比进行控制调节后得到输出电压u0，并将所述输出电压u0发送至后级dc/dc模块4。
61.第六步，后级dc/dc模块4接收输出电压u0，并对输出电压u0进行电气隔离和变电压处理后，得到输出电压u01为48v，与设定值相等，则调压完成。
62.本方案中利用电压pi调节器和电流pi调节器，能够实现前级pfc主电路3的输出电压在120
‑
330v之间实时动态调节，不仅电压调节范围大，同时能够自适应后级dc/dc模块的需求，使整个调节过程更智能化。在ac/dc变换器的前级pfc主电路3的输出电压调节方式上，现有技术中并没有采用pi调节器，一方面是因为pi调节器在实际运用过程中对调节电路的要求较高，而工业中因为负载额定电压的固定性，通常都是直接采用具体电压值的电源。本方案中能够使前级pfc主电路3的输出电压在120
‑
330v的大范围内动态调节，不仅可以使输出电压适用于不同需求的负载，同时也能够通过pi调节器对电压进行比例、积分调节，保证电压调整的有效性和精准度，通过调整输出电压，避免实际的电压超过负载需求而造成电路元件的损坏。
63.实施例二：
64.本实施例基本与实施例一相同，区别在于：后级dc/dc模块4实际的输出电压u01为36v，则前级pfc主电路3实际的输出电压为180v；设定输出电压u01为24v，则前级pfc的输出电压u0为120v，后级dc/dc模块4的调节系数k为120/330。
65.改变前级pfc主电路3和后级dc/dc模块4实际的输出电压，使后级dc/dc模块4的输出电压在原来的基础上减小，改变此电压调节的方向，测试前级pfc主电路3的输出电压能
在120v
‑
330v之间任意调节的能力。
66.本实施例的具体实施过程与实施例一基本相同，区别在于：
67.第一步，设定前级pfc主电路3输出电压u0的调压范围为120v
‑
330v，以及后级dc/dc模块4的输出电压u01为24v，后级dc/dc模块4的电压变换比为1/5，输出电流i01为2a，则前级pfc的输出电压u0为120v，将所述输出电压u01、dc/dc的占空比和输出电流i01作为反馈信息发送至前级pfc主电路3。
68.第二步，前级pfc主电路3接收反馈信息，设定电压pi调节器1的给定电压u1为3.3v和后级dc/dc模块4的调节系数k为120/330，将给定电压u1与调节系数k相乘得到电压pi调节器1的前端电压u3为1.2v。
69.第三步，采集前级pfc主电路3的输出数据得到输出电压取样u11为1.8v，用前端电压u3减去输出电压u11，得到电压偏差u2为1.2v
‑
1.8v＝
‑
0.6v；将电压偏差u2发送至电压pi调节器1，因为电压偏差u2为负，说明前端电压u3小于输出电压u11，电压pi调节器1将自身输出电压u5减小至1.2v输出。
70.通过模拟后级dc/dc模块的实际输出电压在当负载突然变小时，通过反馈调节来减小前级pfc主电路3的输出电压，从而达到后级dc/dc模块输出电压的下降调节，通过与实施例一的结合对比，能够实现前级pfc主电路3的输出电压根据后级dc/dc模块的实际需求变化，从而在预设的120
‑
330v之间动态调节，使ac/dc变换器的工作状态始终为最优状态，能够满足不同的负载的实际需求变化。
71.实施例三：
72.本实施例基本与实施例一相同，区别在于：对全波电压进行采集时，选择有效值为1v的全波电压。
73.通过选取电压有效值为1v的全波电压与输出电流相乘后，则得到的输出电流值大小不变，但是波形就变为了与输出电压相同的正弦波，控制单一变量，使调节过程更简单方便。
74.本实施例的具体实施过程与实施例一相同，区别在于：
75.第四步，采集有效值为1v的全波电压波形，得到全波取样电压u6，并通过全波取样电压u6与所述输出电压u5相乘得到电流pi调节器2的给定电流i6，使输出电流的波形变成与输出电压相同的正弦波，用给定电流i6减去前级pfc主电路3的输出电流i8，得到电流偏差i7，将电流偏差i7发送至电流pi调节器2，电流偏差i7经电流pi调节器2调节后得到输出电压u7。
76.在经过电压pi调节器调节的调节后，对于电压pi调节器的输出电压要进行整流处理，则通过对有效值为1v的全波电压进行取样，则在将全波电压与电压pi调节器的输出电压相乘后，只会调整电压pi调节器的输出电压的波形，而不会对其电压大小造成影响，减小了调节过程中的影响因素，使整个调节更简单快捷。
77.实施例四：
78.本实施例与实施例一基本相同，区别在于：实时采集后级dc/dc模块4的负载需求，并根据负载需求发送调节信号至前级pfc主电路3。例如后级dc/dc模块4的负载突然增大，导致电压需要从当前的26v减小至25v。
79.采集后级dc/dc模块4的负载需求以及负载变化，根据后级dc/dc模块4需求实时反
馈至前级pfc主电路3，使前级pfc主电路3根据后级dc/dc模块4的负载变化，动态调节前级pfc主电路3输出电压，从而实现ac/dc变换器的智能动态调节，使ac/dc变换器长期处于最优工作状态。
80.本实施例的具体实施过程如下：
81.第一步，设定前级pfc主电路3输出电压u0的调压范围为120v
‑
330v，后级dc/dc模块4当前的输出电压u01为26v，后级dc/dc模块4的电压变换比为1/5，则前级pfc的输出电压u0为130v；dc/dc的负载突然增大，输出电压u01减小至25v，则将输出电压u01的数值25v作为反馈信息发送至前级pfc主电路3。
82.第二步，前级pfc主电路3接收反馈信息，设定电压pi调节器1的给定电压u1为3.3v和后级dc/dc模块4的调节系数k为150/330，将给定电压u1与调节系数k相乘得到电压pi调节器1的前端电压u3为1.5v。
83.第三步，采集前级pfc主电路3的输出数据得到输出电压取样u11为1.3v，用前端电压u3减去输出电压u11，得到电压偏差u2为1.5v
‑
1.3v＝0.2v；将电压偏差u2发送至电压pi调节器1，因为电压偏差u2为正，说明前端电压u3大于输出电压u11，电压pi调节器1将自身输出电压u5增大至1.5v输出。
84.第四步，对全波电压进行采集，得到全波取样电压u6，并通过全波取样电压u6与所述输出电压u5相乘得到电流pi调节器2的给定电流i6，使输出电流的波形变为与电压波形相同的正弦波，用给定电流i6减去前级pfc主电路3的输出电流i8，得到电流偏差i7，将电流偏差i7发送至电流pi调节器2，电流偏差i7经电流pi调节器2调节后得到输出电压u7。
85.第五步，电流pi调节器2将所述输出电压u7发送至前级pfc主电路3，输出电压u7对前级pfc主电路3的占空比进行控制调节后得到输出电压u0，并将所述输出电压u0发送至后级dc/dc模块4。
86.第六步，后级dc/dc模块4接收输出电压u0，并对输出电压u0进行电气隔离和变电压处理后，得到输出电压u01为25v，满足负载要求，则调压完成。
87.通过实时采集后级dc/dc模块的负载变化，从而得到电压调节的调节方向，反馈至pi调节器后，通过反馈的调节系数k来确定电压pi调节器的输出电压调节范围，从而使整个调节过程更简单快捷，能够对系统负载的变化需求快速进行调节反馈，保证负载的工作状态以及ac/dc变换器的工作状态都处于最优状态，实现电能的最大利用化。
88.以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体技术方案和/或特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术方案的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本技术要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。