一种用于PFC电路的占空比信号的调节系统、PFC电路及电器的制作方法

一种用于pfc电路的占空比信号的调节系统、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，尤其涉及一种用于pfc电路的占空比信号的调节系统、pfc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提供给电感器，且控制开关管的导通和截止使输入电流i
ac
跟随输入电压的变化。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v
dc
。
4.在pfc电路的实际应用中，使用环境不同会对pfc电路的功率因数影响不同，例如，使用环境电网电压谐波含量多、负载功率覆盖范围广等因素会造成功率因数低。
5.现有pfc电路的控制系统主要采用电压外环及电流内环的双闭环控制系统，且电压外环及电流内环基本采用pi、pid等控制器，但是pi、pid控制器对稳态（直流）信号有很好的跟踪效果，对瞬态（交流）信号跟踪效果会差很多，因此，若要达到pfc电路的高功率因数，需要对控制系统进行补偿。


技术实现要素：

6.本发明的实施例的目的之一在于提供一种用于pfc电路的占空比信号的调节系统，通过对电流电压控制环路输出的环路占空比进行前馈补偿，降低电流环的输入误差电流，增大pfc电路的功率因数。
7.为实现上述发明目的，本发明采用下述技术方案予以实现：本技术涉及一种用于pfc电路的占空比信号的调节系统，其特征在于，包括：电流电压控制环路，其包括电压环和电流环，所述电压外环接收pfc电路的母线电压设定值v
dc_ref
和母线电压v
dc
负反馈并输出电压外环输出量i
ac_ref
，所述电流内环接收i
ac_ref
和输入电感电流i
ac
负反馈并输出环路占空比d'；计算模块，其根据如下公式计算比例系数k，；比例模块，其具有所述比例系数k，接收i
ac_ref
和输入电感电流i
ac
负反馈之和，并输出用于调节环路占空比d'的信号；其中为输入交流电压的平均值，为输入电感电流参考值的平均值，t为pfc电路中开关管开关周期。
8.本技术涉及的用于pfc电路的占空比信号的调节系统，能够对电流电压控制环路输出的环路占空比d'进行前馈补偿，降低输入至电流环的输入误差电流，使输入电感电流跟随电压环输出的电压环输出量，从而提高功率因数。
9.在本技术中，所述调节系统还包括：电压采样单元，其采样输入交流电压，用于获取采样时刻的输入交流电压，以计算；电流采样单元，其采样所述电压外环输出量i
ac_ref
，用于获取采样时刻的输入电感电流参考值，以计算。
10.在本技术中，所述电压采样单元为分压电路，所述分压电路的输入电源为所采集的输入交流电压。
11.在本技术中，所述电流采样单元为采样电阻。
12.在本技术中，所述比例模块输出的信号为δd=(i
ac_ref
–iac
)*k；所调节后的占空比信号d=d'+δd。
13.在本技术中，所述调节系统还包括：脉冲载波调制模块，其接收所调节后的占空比信号d，并输出用于驱动pfc电路的pwm脉冲信号。
14.本技术另一方面提供了一种pfc电路，包括如上所述的调节系统，用于提高pfc电路的功率因数。
15.本技术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。
16.在本技术中，所述电器包括：空调器、冰箱、电热水器、洗衣机或电视机。
17.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
18.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。
19.图1是现有技术中pfc电路；图2是本发明提出的pfc电路的调节系统一实施例的控制原理图。
具体实施方式
20.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。
21.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。
22.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。
23.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。
24.pfc电路参考图1，其示出现有pfc电路。
25.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。
26.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。
27.通过整流桥bg1整流后，将输入的交流电压ac转换为单极的输出电压提供给boost电路，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。
28.二极管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。
29.电解电容e1/e2两端的电压为母线电压v
dc
。
30.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电流电压控制环路的双闭环控制。
31.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。
32.在本技术中，利用pfc电路的电流电压控制环路的双闭环控制方案，对电流电压控制环路输出的环路占空比d'进行前馈调节，降低电流环的输入误差电流，从而使输入电感电流跟随电压环输出的电压环输出量（即，输入电感电流参考值），从而提高pfc电路的功率因数。
33.调节系统图2示出了本技术中用于pfc电路的占空比信号的调节系统的控制框图。
34.该调节系统包括电流电压控制环路10、计算模块（未示出）及比例模块20。
35.《电流电压控制环路》电流电压控制环路10是现有技术中常用在pfc电路中的控制器，其包括外部的电压环和内部的电流环。
36.电压环接收pfc电路的母线电压设定值v
dc_ref
和pfc电路的母线电压v
dc
负反馈之
和，并输出电压环输出量i
ac_ref
，其中母线电压v
dc
负反馈为采样到的母线电压v
dc
的负反馈。
37.其中母线电压v
dc
可以通过电压获取单元获取，此处的电压获取单元可以设计为分压电路。
38.电流环接收电压环输出的电压环输出量i
ac_ref
（在本文中，也可以成为输入电感电流参考值）和输入电感电流i
ac
负反馈之和,并输出环路占空比d'，其中输入电流i
ac
负反馈为采样到的输入电感电流i
ac
的负反馈。
39.通过电流电压控制环路10的控制，输入电感电流参考值i
ac_ref
和输入电感电流i
ac
并不完全一致，存在一定的输入误差电流i
err
=i
ac_ref
–iac
，导致功率因数降低。
40.如果减小i
err
，输入电感电流参考值i
ac_ref
和输入电感电流i
ac
越接近，功率因数就会升高。
41.因此，出于降低输入误差电流i
err
而提升pfc电路的功率因数的目的，对电流电压控制环路10输出的环路占空比d'进行前馈补偿。
42.对于稳态运行的boost电路来说，根据伏秒平衡原则，得出：v
ac
×
d=（v
dc-v
ac
）
×
（1-d）
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（1）其中v
ac
表示输入交流电压，v
dc
表示母线电压，d表示pfc电路的开关管的占空比。
43.根据公式（1），可以推知：d=1
–vac
/v
dc
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（2）假设功率因数为1，则可以得出：d=1
–rac
/v
dc
×iac
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（3）其中r
ac
为等效输入电阻，i
ac
为输入电感电流。
44.同理，类似公式（3），可以得到：d
ref
=1
–rac
/v
dc
×iac_ref
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（4）其中i
ac_ref
为如上所述的输入电感电流参考值，d
ref
表示输入电感电流参考值下的占空比参考值。
45.将公式（3）和公式（4）做减，可以得出：δd=d
–dref
=r
ac
/v
dc
（i
ac_ref
–iac
）=r
ac
/v
dc
×ierr
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（5）其中i
err
表示输入电感电流参考值与实际反馈的输入电感电流之差，δd表示占空比参考值与实际占空比之差。
46.将公式（5）对应的占空比转换为pfc电路中开关管实际开通时间，可得出：δd=r
ac
/v
dc
×ierr
×
t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（6）其中t为pfc电路中开关管的开关周期，δd表示开关管实际开通时间。
47.在公式（5）中，等效输入电阻r
ac
可以利用如下公式进行计算：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（7）其中为输入交流电压的平均值，为输入电感电流参考值的平均值。
48.将公式（7）带入公式（6），可以得到：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（8）即，δd=k*i
err
，其中k由如下公式计算得出。
49.ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（9）在实际应用中，利用常量的母线电压设定值v
dc_ref
代替母线电压v
dc
，可以减小v
dc
波动带来的影响，因此，公式（9）中的k可以表示如下：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（10）根据如上的反向推导，可知，利用δd=k*i
err
能够增大pfc电路的功率因数，影响输入电感电流i
ac
负反馈，降低输入误差电流i
err
，使输入电感电流i
ac
接近输入电感电流参考值i
ac_ref
。
50.《计算模块》根据如上所述的推导，在本技术中，计算模块用于计算上述比例系数k。
51.根据公式（10），需要获取及来计算k。
52.（1）获取（1）获取为输入交流电压的平均值，可以通过电压采样单元采样输入交流电压v
ac
'，并计算采样后获取的电压信号v
ac
'的平均值。
53.在本技术中，电压采样单元选择为分压电路，通过设定分压电路上的电阻值的大小实现采样时的等比例系数。
54.例如，该分压电路为串联的电阻r2和r1，电阻r2的一端连接输入交流电压v
ac
，另一端连接电阻r1的一端，电阻r1的另一端接地，电阻r2的另一端和电阻r1的一端连接的位置为分压电路的输出端，输出信号为v
ac_adc
。
55.此时，等比例系数k'=r1/（r1+r2）。
56.在不同采样时刻下分别获取到一个v
ac_adc
，即，v
ac_adc
（n）,其中n为采样时刻。
57.根据等比例系数及采样到的v
ac_adc
可以推导出对应采样时刻下的所采样的输入交流电压v
ac
'。
58.根据多个采样时刻下的输入交流电压v
ac
'，计算平均值后，获取到。
59.（2）获取i
ac_ref
为输入电感电流参考值，其根据输入交流电压v
ac
及母线电压设定值v
dc_ref
而输出的电压环的输出量。
60.i
ac_ref
与如上所述的获取的v
ac
'的采样时刻一致，通过电流采样单元获取到。
61.电流采样单元可以为在电压环输出至电流环的线路上串联的一个电流检测用采样电阻。
62.根据多个采样时刻下的i
ac_ref
，计算平均值后，获取到。
63.《比例模块》参见图1，比例模块20具有如上所述的比例系数k，接收i
ac_ref
和输入电感电流i
dac
负反馈之和，并输出用于调节环路占空比d'的信号。
64.计算输入误差电流i
err
=i
ac_ref-i
dac
。
65.通过比例模块20后，输出量为δd=k*i
err
。
66.通过前馈的比例模块20对环路占空比d'进行前馈调节后，获取到的占空比信号为d=d'+δd。
67.用d作为实际占空比信号输出，降低输入误差电流i
err
，提高功率因数。
68.《脉冲载波调制模块》该调节系统还包括脉冲载波调制模块30，其用于接收占空比信号d，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。
69.本技术涉及的调节系统，通过设计计算模块及比例模块，能够对电流电压控制环路10输出的环路占空比d'进行前馈补偿，降低至电流环的输入误差电流i
err
，使输入电感电流i
ac
跟随电压环输出的电压环输出量i
ac_ref
，从而提高功率因数。
70.本发明还提供对应于调节系统的一种pfc电路，包括如上所述的调节系统。
71.该pfc电路能够降低电流电压控制环路中的误差输入电流，使输入电感电流跟踪输入电感电流参考值，提高功率因数。
72.本技术还提供对应于pfc电路的电器，包括如上所述的pfc电路。
73.在本技术中，该电器可以为空调器、冰箱、电热水器、洗衣机、电视机等应用。
74.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。
75.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。