CN110649801B - 一种对母线电压的采样方法及pfc控制电路、电源转换电路 - Google Patents

Abstract

本发明适用于电源控制技术领域，提供了一种对母线电压的采样方法及PFC控制电路、电源转换电路，包括：首先实时采样馒头波电压，以得到多个检测电压值；然后根据多个检测电压值获取馒头波电压的特征点，特征点为过零点和/或最大值，根据特征点找到对应的采样时间点；最后根据采样时间点获取对应的母线电压的采样值。本发明利用馒头波特征点和母线电压平均值之间的对应关系，来获取母线电压的采样值，本发明方法对PFC控制电路的开销非常小，并且开环方式不存在振荡的可能，算法设计简单，输出稳定，采用一般的微处理器，而不需要专用的高速DSP，即可实施对PFC母线的电压环进行适时补偿，节省了大量计算资源，芯片的选型自由度大。

Description

一种对母线电压的采样方法及PFC控制电路、电源转换电路

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，尤其涉及一种对母线电压的采样方法及PFC控制电路、电源转换电路。

背景技术

在数字化的控制中，采用软件锁相环代替传统的模拟锁相环，以减小硬件电路对锁相过程中产生的误差，而这个会带来CPU计算资源的开销，同时涉及模拟量的离散化变换等工作，使得整个设计工作更加复杂化。

基于DSP控制的数字PFC电路与传统的使用模拟芯片控制的电路拓扑是一样的，不同的地方在于环路的控制前者通过模数转换采样输入电压、输入电流和输出电压(母线电压)之后做离散化变换，按照环路控制规律通过软件计算得到PWM控制电路的输入，用于驱动开关管，完成PFC输出电压的稳压，同时使得输入电流跟随正弦变换的输入电压，完成功率因素接近1的功率变换的功能，传统的模拟控制方式流程相似，但实现部件是模拟器件，灵活度远不如数字控制的方便，如变频，变压等。

数字控制的功率因素矫正器(PFC)虽然实现了高度的灵活调整，但是对DSP的资源是有一定要求的，一方面是因为过高的处理器频率会带来功耗过高，同时成本上也有正比例关系，因此在选择DSP的型号时，一般会选择相对低频的CPU内核，以降低功耗和成本。

但是折中之后的DSP指标如果不做设计上的优化会对运算性能有一定影响，因此如何想法设法节省计算资源的同时做到不影响DPFC的性能，如稳定性及动态响应特性，这是一个值得探讨的课题。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了一种对母线电压的采样方法及PFC控制电路、电源转换电路，旨在解决现有技术存在通过对母线电压做离散化变换并按照环路控制规律通过软件计算得到PWM控制电路的输入、导致的对DSP的CPU内核性能要求过高的问题。

本发明实施例的第一方面提供了一种对母线电压的采样方法，PFC控制电路的一输入电压为馒头波电压，另一输入电压为母线电压，其特征在于，所述采样方法包括：

实时采样所述馒头波电压，以得到多个检测电压值；

根据多个所述检测电压值获取所述馒头波电压的特征点，所述特征点为过零点和/或最大值，根据所述特征点找到对应的采样时间点；

根据所述采样时间点获取对应的所述母线电压的采样值。

本发明实施例的第二方面提供了一种PFC控制电路，包括电压环补偿电路、电流环补偿电路、PWM控制电路，还包括：母线电压采样电路，所述母线电压采样电路的输入是馒头波电压和母线电压，用以实现如上述对母线电压的采样方法；

所述电压环补偿电路的输入是馒头波电压和所述母线电压采样电路输出，用于对母线电压进行电压补偿；

所述电流环补偿电路的输入是所述电压环补偿电路的输出，用于对所述母线电压进行电流补偿；

所述PWM控制电路的输入是所述电流环补偿电路的输出，用于输出PWM控制信号，以实现馒头波电压对所述母线电压的功率因数校正。

本发明实施例的第三方面提供了一种电源转换电路，其特征在于，包括串联的电感和二极管，电感的另一端接馒头波电压，二极管的阴极为母线电压，所述母线电压接DC-DC转换电路，所述母线电压通过一电容接地；所述二极管的阳极通过一开关管接地；

还包括如上述的PFC控制电路，PFC控制电路的输入是馒头波电压和所述母线电压，输出为PWM控制信号，接所述开关管的控制端。

本发明实施例与现有技术相比存在的有益效果是：首先实时采样馒头波电压，以得到多个检测电压值；然后根据多个检测电压值获取馒头波电压的特征点，特征点为过零点和/或最大值，根据特征点找到对应的采样时间点；最后根据采样时间点获取对应的母线电压的采样值；无需选择高性能CPU内核的DSP对母线电压做离散化变换并按照环路控制规律通过软件计算得到PWM控制电路的输入，本发明利用馒头波特征点和母线电压平均值之间的对应关系，来获取母线电压的采样值，本发明方法对PFC控制电路的开销非常小，并且开环方式不存在振荡的可能，算法设计简单，输出稳定，采用一般的微处理器，而不需要专用的高速DSP，即可实施对PFC母线的电压环进行适时补偿，节省了大量计算资源，芯片的选型自由度大。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的对母线电压的采样方法的一种实现流程示意图；

图2是馒头波电压和馒头波电压的平均值的示意图；

图3是本发明实施例提供的对母线电压的采样方法的另一种实现流程示意图；

图4是本发明实施例提供的PFC控制电路的内部结构框图；

图5是本发明实施例提供的电源转换电路的一种电路原理示意图。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定***结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的***、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。

为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

图1示出了本发明实施例提供的对母线电压的采样方法的实现流程，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：

PFC控制电路的一输入电压为馒头波电压，另一输入电压为母线电压，

在步骤101中，实时采样馒头波电压，以得到多个检测电压值；

步骤101可以具体为：根据馒头波电压的频率确定实时检测频率，实时根据检测频率采样馒头波电压，以得到多个检测电压值。

在步骤102中，根据多个检测电压值获取馒头波电压的特征点，特征点为过零点和/或最大值，根据特征点找到对应的采样时间点。

具体实施中，步骤102包括步骤102-1、步骤102-2a和步骤102-2b。

在步骤102-1中，将当前采样的母线电压值与上次采样的母线电压值进行比较。

在步骤102-2a中，如当前采样的母线电压值与上次采样的母线电压值的差值大于预设值，则判断母线电压处于大扰动状态，根据多个检测电压值获取馒头波电压的特征点，特征点为过零点和最大值，根据特征点找到对应的采样时间点。

当大动态扰动发生时，除了过零点进行环路补偿，峰值处也进行补偿，动态响应产生时变响应，母线电压更快恢复到稳态，提高了电源的动态性能。

在步骤102-2b中，如当前采样的母线电压值与上次采样的母线电压值的差值不大于预设值，则判断母线电压处于稳态，根据多个检测电压值获取馒头波电压的特征点，特征点为过零点或最大值，根据特征点找到对应的采样时间点。

由于对PFC的环路控制希望是对母线电压波形的平均值进行，稳态时可以仅采用过零点，只选取一半的控制带宽即可满足环路稳定性要求，在大扰动状态时，使用波峰和过零点都进行控制的策略，从而达到稳态时进一步节省计算带宽，动态时改善瞬态响应的效果，本质上完成了时变控制的目的，对数字控制电源的性能提升明显。

其中，1)获取馒头波电压的过零点对应的采样时间点，具体为：获取馒头波电压为零时对应的采样时间点。

其中，2)获取馒头波电压的最大值方法包括步骤A至步骤E。

A.预设峰值保持器及计数器，且峰值保持器中初始值为0，计数器初始值为0。

B.判断当前的检测电压值是否大于峰值保持器中存储的电压值。

C.若当前的检测电压值大于峰值保持器中存储的电压值，则将当前的检测电压值更新为峰值保持器中存储的电压值。

D.若当前的检测电压值不大于峰值保持器中存储的电压值，不对峰值保持器进行更新，计数器加1。

E.当计数器计数达到预设值时，即停止进行判断，此时峰值保持器中存储的电压值即为馒头波电压的最大值。计数器的预设值可以为3。

具体实施中，如计数器的预设值过小，由于采样误差的随机性，存在获取的馒头波电压的最大值不准确的缺陷，影响PFC控制电路对母线电压的采样的精确度；如计数器的预设值过大，则由于采样次数过多导致采样的时机不准确，同样找不准馒头波电压的最大值，影响PFC控制电路对母线电压的采样的精确度。

具体实施中，步骤A之前还可以包括步骤F至步骤I。

F.对馒头波电压进行低通滤波，获取馒头波电压的平均值；判断当前的检测电压值是否大于馒头波电压的平均值；。

G.若当前的检测电压值大于馒头波电压的平均值，则开启峰值保持器的功能；并执行步骤A。

H.若当前的检测电压值不大于馒头波电压的平均值，则关闭峰值保持器的功能。

如图2所示，馒头波电压的最大值大于馒头波电压的平均值，在当前的检测电压值不大于馒头波电压的平均值，关闭峰值保持器的功能，此时停止馒头波电压的最大值的获取，可以简化算法步骤，提高对母线电压的采样方法的效率。

在步骤103中，根据采样时间点获取对应的母线电压的采样值。

本发明实施例中因为馒头波电压的过零点(最小值)及峰值(最大值)对应PFC母线的理想平均值，所以利用对馒头波电压的过零点(最小值)及峰值(最大值)的检测找到母线电压，从而实现了对PFC母线电压的精确控制。

由于不需要额外的处理器资源处理诸如闭环、二阶离散等的运算，只需要工频(100-120Hz，整流后的频率)级别的比较大小的运算就可以完成对母线电压识别频率、最大值和最小值，且在极值的附近对输出PFC母线进行精确的闭环控制，使PFC的电压环总是在理想平均值附近得到环路补偿计算，这样可以让环路的执行率最小化，并能保证输出足够的响应带宽(10-15Hz)，极大节约单片机或DSP的计算资源。

具体实施中，如图3所示，步骤101之后还包括步骤101-2和步骤101-3.

在步骤101-2中，若馒头波电压短暂掉电，则设置一个固定的时间段。

在步骤101-3中，每隔固定的时间段，获取对应的母线电压的采样值，直到馒头波电压恢复正常。固定时间段可以为5～10ms。

在一定时间段内，一直没有发现有正确的馒头波电压，即判断馒头波电压短暂掉电；每隔预设时间段对母线电压采样一次，并保持环路补偿，维持母线电压稳定。如果在较长时机(如30ms)一直未发现正确的馒头波电压，则进行关机。

本发明实施例通过首先实时采样馒头波电压，以得到多个检测电压值；然后根据多个检测电压值获取馒头波电压的特征点，特征点为过零点和/或最大值，根据特征点找到对应的采样时间点；最后根据采样时间点获取对应的母线电压的采样值；无需选择高性能CPU内核的DSP对母线电压做离散化变换并按照环路控制规律通过软件计算得到PWM控制电路的输入。本发明利用馒头波特征点和母线电压平均值之间的对应关系，来获取母线电压的采样值，本发明方法对PFC控制电路的开销非常小，并且开环方式不存在振荡的可能，算法设计简单，输出稳定，采用一般的微处理器，而不需要专用的高速DSP，即可实施对PFC母线的电压环进行适时补偿，节省了大量计算资源，芯片的选型自由度大。

为了实现上述对母线电压的采样方法，本发明实施例还提供了一种PFC控制电路，如图4所示，包括电压环补偿电路01、电流环补偿电路02、PWM控制电路03，还包括：母线电压采样电路04，母线电压采样电路04的输入是馒头波电压和母线电压，用以实现上述的对母线电压的采样方法；

电压环补偿电路01的输入是馒头波电压和母线电压采样电路输出，用于对母线电压进行电压补偿；

电流环补偿电路02的输入是电压环补偿电路的输出，用于对母线电压进行电流补偿；

PWM控制电路03的输入是电流环补偿电路的输出，用于输出PWM控制信号，以实现馒头波电压对母线电压的功率因数校正。

为了实现上述对母线电压的采样方法，本发明实施例还提供了一种电源转换电路，如图5所示，包括电感L1、二极管D1、开关管M1、电容C1、DC-DC转换电路06；电感L1的一端和二极管D1的阳极连接，电感L1的另一端接馒头波电压，二极管D1的阴极为母线电压，母线电压接DC-DC转换电路06，母线电压通过一电容C1接地；二极管D1的阳极通过一开关管M1接地；还包括上述的PFC控制电路00，PFC控制电路00的输入是馒头波电压和母线电压，输出为PWM控制信号，接开关管M1的控制端。

PFC控制电路00获取对应的母线电压的采样值之后，根据采样值和预设电压值生成目标占空比的PWM控制信号以控制开关管M1导通或关断。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本申请的保护范围。上述***中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

在本发明所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置/终端设备和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置/终端设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个***，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通讯连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通讯连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。

以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各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；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种对母线电压的采样方法，PFC控制电路的一输入电压为馒头波电压，另一输入电压为母线电压，其特征在于，所述采样方法包括：

实时采样所述馒头波电压，以得到多个检测电压值；

根据多个所述检测电压值获取所述馒头波电压的特征点，所述特征点为过零点和/或最大值，根据所述特征点找到对应的采样时间点；

根据所述采样时间点获取对应的所述母线电压的采样值；

所述根据多个所述检测电压值，获取所述馒头波电压的特征点，所述特征点为过零点和/或最大值，根据所述特征点找到对应的采样时间点，具体包括：

将当前采样的所述母线电压值与上次采样的所述母线电压值进行比较；

如当前采样的所述母线电压值与上次采样的所述母线电压值的差值大于预设值，则判断所述母线电压处于大扰动状态，根据多个所述检测电压值获取所述馒头波电压的特征点，所述特征点为过零点和最大值，根据所述特征点找到对应的采样时间点；

如当前采样的所述母线电压值与上次采样的所述母线电压值的差值不大于预设值，则判断所述母线电压处于稳态，根据多个所述检测电压值获取所述馒头波电压的特征点，所述特征点为过零点或最大值，根据所述特征点找到对应的采样时间点。

2.如权利要求1所述的对母线电压的采样方法，其特征在于，所述获取所述馒头波电压的过零点对应的采样时间点，具体为：获取所述馒头波电压为零时对应的采样时间点。

3.如权利要求1所述的对母线电压的采样方法，其特征在于，获取所述馒头波电压的最大值方法包括：

预设峰值保持器及计数器，且峰值保持器中初始值为0，计数器初始值为0；

判断当前的所述检测电压值是否大于所述峰值保持器中存储的电压值；

若当前的所述检测电压值大于所述峰值保持器中存储的电压值，则将当前的所述检测电压值更新为所述峰值保持器中存储的电压值；

若当前的所述检测电压值不大于所述峰值保持器中存储的电压值，不对峰值保持器进行更新，计数器加1；

当计数器计数达到预设值时，即停止进行判断，此时峰值保持器中存储的电压值即为所述馒头波电压的最大值。

4.如权利要求3所述的对母线电压的采样方法，其特征在于，所述计数器的预设值为3。

5.如权利要求3所述的对母线电压的采样方法，其特征在于，所述预设峰值保持器及计数器，且峰值保持器中初始值为0，计数器初始值为0之前还包括：

对所述馒头波电压进行低通滤波，获取所述馒头波电压的平均值；判断当前的所述检测电压值是否大于所述馒头波电压的平均值；

若当前的所述检测电压值大于所述馒头波电压的平均值，则开启所述峰值保持器的功能；

若当前的所述检测电压值不大于所述馒头波电压的平均值，则关闭所述峰值保持器的功能。

6.如权利要求1所述的对母线电压的采样方法，其特征在于，所述实时采样所述馒头波电压，以得到多个检测电压值之后还包括：

若所述馒头波电压短暂掉电，则设置一个固定的时间段；

每隔所述固定的时间段，获取对应的所述母线电压的采样值，直到所述馒头波电压恢复正常。

7.如权利要求6所述的对母线电压的采样方法，其特征在于，所述固定时间段为5～10ms。

8.一种PFC控制电路，包括电压环补偿电路、电流环补偿电路、PWM控制电路，还包括：母线电压采样电路，所述母线电压采样电路的输入是馒头波电压和母线电压，用以实现如权利要求1至7任意一项所述对母线电压的采样方法；

所述电压环补偿电路的输入是馒头波电压和所述母线电压采样电路输出，用于对母线电压进行电压补偿；

所述电流环补偿电路的输入是所述电压环补偿电路的输出，用于对所述母线电压进行电流补偿；

所述PWM控制电路的输入是所述电流环补偿电路的输出，用于输出PWM控制信号，以实现馒头波电压对所述母线电压的功率因数校正。

9.一种电源转换电路，其特征在于，包括电感、二极管、开关管、电容、DC-DC转换电路；

所述电感的一端和二极管的阳极连接，电感的另一端接馒头波电压，二极管的阴极为母线电压，所述母线电压接DC-DC转换电路，所述母线电压通过一电容接地；所述二极管的阳极通过一开关管接地；

还包括如权利要求8所述的PFC控制电路，PFC控制电路的输入是馒头波电压和所述母线电压，输出为PWM控制信号，接所述开关管的控制端。

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