CN103532367A - 交错式pfc控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种交错式PFC控制方法及装置，其中，该方法包括：获取交错式PFC电路中两个电感所在支路的电流；在该两个电感所在支路的电流之差大于或等于预定阈值的情况下，调整该两个电感所在支路的占空比，使电流之差小于该预定阈值。通过本发明，解决了相关技术中的交错式PFC电路的电流不平衡有可能导致电路整体失效、电路可靠性较差的问题，使PFC控制更加精确，提高了电路可靠性。

Description

交错式PFC控制方法及装置

技术领域

本发明涉及电路领域，尤其涉及一种交错式功率因数校正（Power Factor Correction，简称为PFC）控制方法及装置。

背景技术

目前的交错式PFC采用对称的Boost升压电路，通过检测两个开关管（一般为IGBT或MOSFET）电流或检测总电流来进行运算。由于在电抗器电感量不相同时，可能造成电流不平衡，导致一路开关管电流过大，当电流差值达到一定程度时，可能会烧坏开关管，从而使得电路整体失效。

针对相关技术中的交错式功率因数校正（Power Factor Correction，简称为PFC）电路的电流不平衡程度严重有可能导致电路整体失效，电路可靠性较差的问题，尚未提出有效的解决方案。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种交错式PFC控制方法及装置，以至少解决相关技术中的交错式PFC电路的电流不平衡有可能导致电路整体失效，电路可靠性较差的问题。

根据本发明的一个方面，提供了一种交错式PFC控制方法，包括：获取交错式PFC电路中两个电感所在支路的电流；在所述两个电感所在支路的电流之差大于或等于预定阈值的情况下，调整所述两个电感所在支路的占空比，使所述电流之差小于所述预定阈值。

优选地，获取交错式PFC电路中两个电感所在支路的电流包括：测量所述交错式PFC电路中其中一个电感所在支路的电流，以及所述交错式PFC电路总的输入电流；计算所述交错式PFC电路中的另一个电感所在支路的电流为：所述总的输入电流与所述其中一个电感所在支路的电流之差。

优选地，在调整所述两个电感所在支路的占空比，使所述电流之差小于所述预定阈值之前，还包括：测量所述交错式PFC电路的输入电流和输出电压；根据所述输入电流和所述输出电压估算所述交错式PFC电路的输入电压。

优选地，根据所述输入电流估算所述交错式PFC电路的输入电压包括：根据所述输入电流和所述输出电压，通过状态空间方程以及观测矩阵估算所述交错式PFC电路的输入电压。

优选地，调整所述两个电感所在支路的占空比，使所述电流之差小于所述预定阈值包括：根据所述电流之差得到第一占空比；根据所述第一占空比对所述两个电感所在支路的占空比分别进行调整，使所述电流之差小于所述预定阈值。

优选地，通过所述第一占空比对所述两个电感所在支路的占空比分别进行调整，使所述电流之差小于所述预定阈值包括：将所述两个电感中所在支路的电流较大的支路的占空比减小所述第一占空比，并将另一支路的占空比增大所述第一占空比。

根据本发明的另一方面，提供了一种交错式PFC控制装置，包括：获取模块，用于获取交错式PFC电路中两个电感所在支路的电流；调整模块，用于在所述两个电感所在支路的电流之差大于或等于预定阈值的情况下，调整所述两个电感所在支路的占空比，使所述电流之差小于所述预定阈值。

优选地，所述获取模块包括：测量单元，用于测量所述交错式PFC电路中其中一个电感所在支路的电流，以及所述交错式PFC电路总的输入电流；第一计算单元，用于计算所述交错式PFC电路中的另一个电感所在支路的电流为：所述总的输入电流与所述其中一个电感所在支路的电流之差。

优选地，所述装置还包括：测量模块，用于测量所述交错式PFC电路的输入电流和输出电压；估算模块，用于根据所述输入电流和所述输出电压估算所述交错式PFC电路的输入电压。

优选地，所述估算模块包括：估算单元，用于根据所述输入电流和所述输出电压，通过状态空间方程以及观测矩阵估算所述交错式PFC电路的输入电压。

优选地，所述调整模块包括：第二计算单元，用于根据所述电流之差得到第一占空比；调整单元，用于根据所述第一占空比对所述两个电感所在支路的占空比分别进行调整，使所述电流之差小于所述预定阈值。

优选地，所述调整单元还用于将所述两个电感中所在支路的电流较大的支路的占空比减小所述第一占空比，并将另一支路的占空比增大所述第一占空比。

根据本发明的技术方案，采用获取交错式PFC电路中两个电感所在支路的电流；在该两个电感所在支路的电流之差大于或等于预定阈值的情况下，调整该两个电感所在支路的占空比，使电流之差小于该预定阈值的方式，解决了相关技术中的交错式PFC电路的电流不平衡有可能导致电路整体失效、电路可靠性较差的问题，使PFC控制更加精确，提高了电路可靠性。

附图说明

说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据本发明实施例的交错式PFC控制方法的流程图；

图2是根据本发明实施例的交错式PFC控制装置的结构框图；

图3是根据本发明实施例的交错式PFC控制装置的优选结构框图；

图4是根据本发明实施例的估算模块的优选结构框图；

图5是根据本发明实施例的调整模块的优选结构框图；

图6是根据本发明实施例一的交错式PFC控制电路的硬件原理图；

图7是根据本发明实施例一的交错式PFC控制的总体流程图；

图8是根据本发明实施例一的占空比补偿流程图；

图9是根据本发明实施例二的PFC控制框图；

图10是根据本发明实施例二的输入电压观测器框图；

图11是根据本发明实施例的获取模块的优选结构框图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

在本实施例中提供了一种交错式PFC控制方法，图1是根据本发明实施例的交错式PFC控制方法的流程图，如图1所示，该方法包括如下步骤：

步骤S102，获取交错式PFC电路中两个电感所在支路的电流；

步骤S104，在该两个电感所在支路的电流之差大于或等于预定阈值的情况下，调整该两个电感所在支路的占空比，使电流之差小于该预定阈值。

本实施例通过上述步骤，在交错式PFC电路的两个电感所在支路的电流之差大于或等于预定阈值的情况下，通过调整占空比的方式使该电流之差小于该预定阈值，例如将该电流之差调整为0，从而保证交错式PFC电路的两个电感所在支路的电流之差能够处于安全范围之内，即使在电抗器电感量不相同时，也能够使得电流平衡，不会烧坏开关管，解决了相关技术中的交错式PFC电路的电流不平衡有可能导致电路整体失效、电路可靠性较差的问题，使PFC控制更加精确，提高电路可靠性。

优选地，在获取上述两个电感所在支路的电流时，可以测量该PFC的总的输入电流和其中一条支路的电流，然后再计算另一支路的电流为：总的输入电流与其中一个电感所在支路的电流之差。通过这种方式，由于总的输入电流已知，通常只需测量其中一条支路的电流即可，降低了成本。

在调整占空比以补偿两个电感所在支路的电流之前，需要获得该交错式PFC电路的输入电压，该输入电压可以通过测量的方式获得。作为一种优选实施方式，还可以在测量交错式PFC电路的输入电流和输出电压之后，根据该输入电流和输出电压来估算交错式PFC电路的输入电压。通过这种方式，可以无需对输入电压进行测量，节省成本。

优选地，根据输入电流和输出电压对输入电压进行估算的方式可以是根据输入电流，通过状态空间方程以及观测矩阵，来估算交错式PFC电路的输入电压。该方式简便易行，实用性强。

作为一种优选实施方式，调整占空比使电流之差小于预定阈值的方式可以是首先根据两个电感所在支路的电流之差计算出第一占空比（又称调整占空比ΔD），然后根据该第一占空比，对上述两个电感所在支路的占空比分别进行调整，从而使电流之差小于预定阈值。

例如，可以将两个电感中所在支路的电流较大的支路的占空比减小第一占空比，并将另一支路的占空比增大第一占空比。假设第一电感L1所在支路的电流为i1，占空比为D1，第二电感L2所在支路的电流为i2，占空比为D2，i1>i2，则首先根据i1-i2的差值算得ΔD，若需要将i1与i2的差值调整为0，则可以将D1调整为D1-ΔD，将D2调整为D2+ΔD。

对应于上述方法，本实施例还提供了一种交错式PFC控制装置，该装置用于实现上述实施例及优选实施方式，已经进行过说明的不再赘述。如以下所使用的，术语“模块”可以实现预定功能的软件和/或硬件的组合。尽管以下实施例所描述的装置较佳地以软件来实现，但是硬件，或者软件和硬件的组合的实现也是可能并被构想的。

图2是根据本发明实施例的交错式PFC控制装置的结构框图，如图2所示，该装置包括：获取模块22和调整模块24，下面对各个模块进行详细说明。

获取模块22，用于获取交错式PFC电路中两个电感所在支路的电流；调整模块24，与获取模块22相连，用于在该两个电感所在支路的电流之差大于或等于预定阈值的情况下，调整该两个电感所在支路的占空比，使电流之差小于该预定阈值。

本实施例通过上述模块，在获取模块22获取到的交错式PFC电路的两个电感所在支路的电流之差大于或等于预定阈值的情况下，通过调整模块24调整占空比的方式使该电流之差小于该预定阈值，例如将该电流之差调整为0，从而保证交错式PFC电路的两个电感所在支路的电流之差能够处于安全范围之内，即使在电抗器电感量不相同时，也能够使得电流平衡，不会烧坏开关管，解决了相关技术中的交错式PFC电路的电流不平衡有可能导致电路整体失效、电路可靠性较差的问题，使PFC控制更加精确，提高电路可靠性。

图11是根据本发明实施例的获取模块22的优选结构框图，如图11所示，获取模块22可以包括：测量单元222，用于测量交错式PFC电路中其中一个电感所在支路的电流，以及交错式PFC电路总的输入电流；第一计算单元224，与测量单元222相连，用于计算交错式PFC电路中的另一个电感所在支路的电流为：总的输入电流与其中一个电感所在支路的电流之差。

图3是根据本发明实施例的交错式PFC控制装置的优选结构框图，如图3所示，该装置还可以包括：测量模块32，用于测量交错式PFC电路的输入电流和输出电压；估算模块34，与调整模块24和测量模块32相连，用于根据输入电流和输出电压估算交错式PFC电路的输入电压。

图4是根据本发明实施例的估算模块34的优选结构框图，如图4所示，该估算模块34可以包括：估算单元342，用于根据输入电流和输出电压，通过状态空间方程以及观测矩阵估算交错式PFC电路的输入电压。

图5是根据本发明实施例的调整模块24的优选结构框图，如图5所示，该调整模块24可以包括：第二计算单元242，用于根据电流之差得到第一占空比；调整单元244，与计算单元242相连，用于根据该第一占空比对两个电感所在支路的占空比分别进行调整，使电流之差小于预定阈值。

优选地，调整单元244还可以用于将两个电感中所在支路的电流较大的支路的占空比减小第一占空比，并将另一支路的占空比增大第一占空比。

下面结合优选实施例和附图对上述实施例及优选实施方式的实现过程进行详细说明。

实施例一

在本实施例中提供了一种非对称交错式PFC的控制方法，该方法通过同时检测一路IGBT的电流与总电流，计算出两个电感上的电流，并对检测到的电流进行补偿，调整出合适的占空比，从而控制两个电感上的电流之差不会超出阈值（例如，通过DSP输出合适的占空比使两支路电流相等）。采用该方法能使PFC控制更加精确，提高电路可靠性。此外，在电感值偏差较大的情况下，也能够使用交错式PFC方案，进一步提高了电路可靠性。

图6是根据本发明实施例一的交错式PFC控制电路的硬件原理图，如图6所示，左边为整流桥，右边为交错式PFC，L1、L2为电感，Q1、Q2为开关管，D1、D2为二极管。DSP同时采集输入电流、开关管电流和输出电压，进行D／A转换与算法控制，输出含有占空比信息的脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，简称为PWM）信号。

该交错式PFC控制电路的工作原理如下：Q1管导通，L1储存能量，Q1管关断，L1由D1释放能量，给电容充电。第二条支路同理。

图7是根据本发明实施例一的交错式PFC控制的总体流程图，如图7所示，该流程包括如下步骤：

步骤S702，PFC初始化。

步骤S704，采样输入电流，一路IGBT的电流与PFC输出电压，将采样值经过运算放大器放大，送入DSP进行算法处理。

步骤S706，通过状态观测器对输入电压进行估算，估算的具体实施方式可以有多种，本优选实施例中的输入电压估算方式可以参见实施例二的第四部分（输入电压估计）。

步骤S708，通过电流环计算出Vp的值。

步骤S710，通过电压环算出负载需要的电流参考量。

步骤S712，由于Vin=SLi_in+Vp，Vin可由状态观测器得出，因此得出Vp=Vin-SLi_in，Vp为IGBT发射极与集电极间电压。根据平均电流的概念Vp=(1-D)Vdc，

计算出含有占空比信息的PWM信号，然后对占空比进行补偿。

图8是根据本发明实施例一的占空比补偿流程图，如图8所示，由于L1与L2存在差异，输出相同的占空比，可能导致实际电流并不相等，此时就需要根据电感电流的值调整占空比，以对PFC电流进行补偿。参见图6的硬件原理图，该占空比补偿流程包括如下步骤：

步骤S802，当Q1导通时，采样i_Q1与i_in。

步骤S804，当i_Q1检测电流不为零时，此时流过IGBT的电流即为电感L1的电流i_L1＝i_Q1。

步骤S806，电感L2的电流,为i_L2＝i_in－i_Q1。

步骤S808，获取L1与L2的检测电流的差值i_L1－i_L2。

步骤S810，由L1与L2的检测电流的差值i_L1－i_L2作为调节量与参考量0相比较，通过PI调节，得出调整占空比ΔD。

步骤S812，输出调整占空比ΔD。

步骤S814，调整占空比后使通过电感L1与电感L2的电流相等。在这里以初始D1和D2相等，均为D为例进行说明，则调整后的D1=D-ΔD，D2=D+ΔD。

实施例二

一、PFC硬件部分

参见图6，左边为整流桥，右边为交错式PFC，L1、L2为电感，Q1、Q2为开关管，D1、D2为二极管。DSP采集输入电流、开关管电流和输出电压，进行D／A转换与算法控制。其工作原理如下：Q1管导通，L1储存能量，Q1管关断，L1由D1释放能量，给电容充电。第二条支路同理。

二、PFC控制框图

图9是根据本发明实施例二的PFC控制框图，如图9所示，PFC算法包括两个控制环路部分（内环电流环和外环电压环）和一个电流补偿环路：（1）内环电流环，使PFC输入电流跟随输入电压，并计算出占空比；（2）外环电压环，通过负载大小计算出输入电流的大小，并使PFC输出电压升高到一个恒定值；（3）电流补偿环路，通过电流补偿输出ΔD。三个环路都采用PID控制算法。上标*代表参考量，^表示估计。左侧为控制环路部分，右侧为电路硬件执行器。

参数如下：

为输入电压估计值，K为常数，

为母线电压参考值，v_dc为采样值，P_in为输入功率，P_out为输出功率，

为输入功率参考值，

为输入电流参考值，

为IGBT发射极与集电极间电压参考值。

占空比补偿的实现方法如下，通过DSP采样i_in与v_dc的值，采样i_in后使用PID控制，使i_in相位跟随的估计量，P_in＝v_in×i_in,由电容充放电得出与v_dc的关系，通过PID控制使v_dc的电压为一个恒定值，根据能量守恒，boost升压电路，在IGBT开通时，电感储存能量，IGBT关断后，通过二极管，向电容与负载释放能量，通过PID算法得出这个合适的开通时间，算出占空比。由

得出占空比D的值。再由电流补偿环路得出ΔD，对电流进行补偿。在这里以初始D1和D2相等，均为D为例进行说明，则调整后的D1=D-ΔD，D2=D+ΔD。

三、程序整体流程图

参见图8，交错式PFC控制流程整体如下：PFC初始化，采样输入电流，一路GBT的电流与PFC输出电压，将采样值经过运算放大器放大，送入DSP进行算法处理，通过状态观测器对输入电压进行估算，经过电压环算出负载需要的电流大小，通过电流环计算出Vp的值，由于Vin=SLi_in+Vp，Vin可由状态观测器得出，因此得出Vp=Vin-SLi_in，Vp为IGBT发射极与集电极间电压。根据平均电流的概念Vp=(1-D)Vdc，

计算出含有占空比信息的PWM信号，最后对占空比进行补偿。具体占空比补偿过程见第五部分。

四、输入电压估计

由图6的硬件部分可得状态空间方程为：

$\stackrel{\·}{x}=\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{i}}_{\mathrm{in}}\\ {\stackrel{\·}{v}}_{\mathrm{in}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}0& \frac{1}{L}\\ 0& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{in}}\\ v_{\mathrm{in}}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}-\frac{1}{L}\\ 0\end{array}\right]v_p=\mathrm{Ax}+\mathrm{Bu}$

$y=i_{\mathrm{in}}=\left[\begin{array}{cc}1& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{in}}\\ v_{\mathrm{in}}\end{array}\right]=\mathrm{Cx}$

其中L为电感值。

观测矩阵方程为：

$\stackrel{\·}{\hat{x}}=A\hat{x}+\mathrm{Bu}+D(y-\hat{y})$

$D=\left[\begin{array}{c}{d}_1\\ d_2\end{array}\right]$

D为观测增益矩阵，得出误差d₁与误差d₂即可观测得出

图10是根据本发明实施例二的输入电压观测器框图，如图10所示，在获取到i_in之后，根据误差d₁与误差d₂、电感L、以及拉普拉斯常数S，即可得出估算的输入电压

五、占空比补偿

参见图8，占空比补偿流程如下：由于L1与L2存在差异，输出相同的占空比，可能导致实际电流并不相等，此时就需要调整占空比，根据电感电流的值进行补偿。由硬件原理图可知，当i_Q1检测电流不为零时，此时流过IGBT的电流即为电感L1的电流i_L1＝i_Q1，电感L2的电流即为i_L2＝i_in-i_Q1。由L1与L2的检测电流的差值i_L1-i_L2作为调节量与参考量IRef=0相比较，通过PI调节，得出调整占空比ΔD，调整占空比后使通过电感L1与电感L2的电流相等。在这里以初始D1和D2相等，均为D为例进行说明，则调整后的D1=D-ΔD，D2=D+ΔD。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种交错式功率因数校正PFC控制方法，其特征在于，包括：

获取交错式PFC电路中两个电感所在支路的电流；

在所述两个电感所在支路的电流之差大于或等于预定阈值的情况下，调整所述两个电感所在支路的占空比，使所述电流之差小于所述预定阈值。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，获取交错式PFC电路中两个电感所在支路的电流包括：

测量所述交错式PFC电路中其中一个电感所在支路的电流，以及所述交错式PFC电路总的输入电流；

计算所述交错式PFC电路中的另一个电感所在支路的电流为：所述总的输入电流与所述其中一个电感所在支路的电流之差。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在调整所述两个电感所在支路的占空比，使所述电流之差小于所述预定阈值之前，还包括：

测量所述交错式PFC电路的输入电流和输出电压；

根据所述输入电流和所述输出电压估算所述交错式PFC电路的输入电压。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，根据所述输入电流估算所述交错式PFC电路的输入电压包括：

根据所述输入电流和所述输出电压，通过状态空间方程以及观测矩阵估算所述交错式PFC电路的输入电压。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，调整所述两个电感所在支路的占空比，使所述电流之差小于所述预定阈值包括：

根据所述电流之差得到第一占空比；

根据所述第一占空比对所述两个电感所在支路的占空比分别进行调整，使所述电流之差小于所述预定阈值。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，通过所述第一占空比对所述两个电感所在支路的占空比分别进行调整，使所述电流之差小于所述预定阈值包括：

将所述两个电感中所在支路的电流较大的支路的占空比减小所述第一占空比，并将另一支路的占空比增大所述第一占空比。

7.一种交错式功率因数校正PFC控制装置，其特征在于，包括：

获取模块，用于获取交错式PFC电路中两个电感所在支路的电流；

调整模块，用于在所述两个电感所在支路的电流之差大于或等于预定阈值的情况下，调整所述两个电感所在支路的占空比，使所述电流之差小于所述预定阈值。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述获取模块包括：

测量单元，用于测量所述交错式PFC电路中其中一个电感所在支路的电流，以及所述交错式PFC电路总的输入电流；

第一计算单元，用于计算所述交错式PFC电路中的另一个电感所在支路的电流为：

所述总的输入电流与所述其中一个电感所在支路的电流之差。

9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

测量模块，用于测量所述交错式PFC电路的输入电流和输出电压；

估算模块，用于根据所述输入电流和所述输出电压估算所述交错式PFC电路的输入电压。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述估算模块包括：

估算单元，用于根据所述输入电流和所述输出电压，通过状态空间方程以及观测矩阵估算所述交错式PFC电路的输入电压。

11.根据权利要求7至10中任一项所述的装置，其特征在于，所述调整模块包括：

第二计算单元，用于根据所述电流之差得到第一占空比；

调整单元，用于根据所述第一占空比对所述两个电感所在支路的占空比分别进行调整，使所述电流之差小于所述预定阈值。

12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述调整单元还用于将所述两个电感中所在支路的电流较大的支路的占空比减小所述第一占空比，并将另一支路的占空比增大所述第一占空比。

Images