一种PFC电路的开关管控制方法及装置与流程

本发明涉及控制领域，尤其涉及一种PFC电路的开关管控制方法及装置。

背景技术：

PFC电路，即功率因数校正电路，主要用于电源在处理AC至DC转变过程中的电流畸变问题。PFC电路主要有两种，一种为主动式PFC电路，另一种为被动式PFC电路。主动式PFC相当于一个开关电源，通过控制芯片控制开关管的导通和截止来使得输入电流波形成为与输入电压波形相近似形且同相位的正弦波状，因此功率因数得以改善。

如图1为典型的PFC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MOS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输出电压Vdc。

在一些电网比较脆弱的地区，电压闪变现象非常频繁，传统的PFC控制方法遇到这种状况，一般都会触发过流或者母线过欠压故障，PFC装置封锁脉冲停机保护，等故障清除后再重新启动。图2为PFC电路的电压闪变实验，如图2所示，当交流输入电压从250V下降到170V时会发生过流现象，因此PFC电路进入停机保护状态。电压PFC装置频繁的重启，一方面对PFC装置本身器件寿命产生损害，另一方面对电网会造成比较大的冲击，使得电网更加脆弱。现有的PFC电路的开关管控制方法还不能很好地解决电压闪变的问题，会造成用户用电的不便。

技术实现要素：

本发明实施例的目的是提供一种PFC电路的开关管控制方法及装置，能有效解决因为电压闪变而造成PFC装置的频繁重启问题。

为实现上述目的，本发明实施例提供了一种PFC电路的开关管控制方法，包括步骤：

基于所述开关管的每一个控制周期获取PFC电路的输入电流、输入电压和母线电压；

计算母线电压设定值与所述母线电压的差值，所述差值为电压环差值；基于所述电压环差值进行电压环的偏差控制，得到电压环输出量；其中，当所述电压环差值大于第一电压环判断阈值且小于第二电压环判断阈值时，所述电压环的偏差控制参数通过线性插值的方式设定；

基于所述电压环输出量计算当前周期的电流环参考值；计算所述当前周期的电流环参考值与上一周期的电流环参考值的差值，若所述差值大于变化阈值时，所述当前周期的电流环参考值进一步设定为所述上一周期的电流环参考值与所述变化阈值的和值；

计算所述当前周期的电流环参考值与所述输入电流的差值，所述差值为电流环差值；基于所述电流环差值进行电流环的偏差控制，得到电流环输出量；其中，当所述电流环差值大于第一电流环判断阈值且小于第二电流环判断阈值时，所述电流环的偏差控制参数通过线性插值的方式设定；

将所述电流环输出量与前馈量相加得到控制所述PFC电路的开关管导通和开关管截止的占空比信号。

与现有技术相比，本发明公开的PFC电路的开关管控制方法通过线性插值的方式来设定电压环和电流环的偏差控制参数，且限制了电流环参考变化的范围，并进一步通过电流环的偏差控制输出值进行前馈控制得出控制PFC的开关管导通和截止的占空比信号，解决了现有技术PFC控制电路不能消除因为电压闪变引起的PFC装置的频繁重启问题，保证了PFC电路工作的稳定性，安全有效。

作为上述方案的改进，所述开关管的控制周期为50us。

作为上述方案的改进，基于所述电压环输出量计算电流环参考值具体为通过以下公式计算电流环参考值：

IacRef＝VdcOut*Vac/Vrms^2

其中，所述IacRef为所述当前周期的电流环参考值；所述VdcOut为所述电压环输出量；所述Vac为所述输入电压；所述Vrms为所述输入电压的有效值。

作为上述方案的改进，所述前馈量通过以下公式获得：

PWMOutFF＝1-Vac/Vdc

其中，所述PWMOutFF为所述前馈量；所述Vac为所述输入电压；所述Vdc为所述母线电压。

作为上述方案的改进，所述电压环的偏差控制和电流环的偏差控制均为比例积分控制。比例积分控制具有比例控制的迅速及时，又有积分控制消除余差的能力。

作为上述方案的改进，所述电压环的偏差控制和电流环的偏差控制均为比例-积分-微分控制。所述比例-积分-微分控制中的微分作用具有超前控制的功能。

作为上述方案的改进，当所述电压环差值大于所述第一电压环判断阈值且小于所述第二电压环判断阈值时，通过以下公式进行线性插值计算得到所述电压环的比例积分控制参数：

其中，所述VdcKpSet和VdcKiSet分别为所述电压环差值大于所述第一电压环判断阈值且小于所述第二电压环判断阈值时电压环的比例积分控制的比例系数和积分系数；所述Kp1和Ki1分别为当所述电压环差值小于所述第一电压环判断阈值时所述电压环的比例积分控制的比例系数和积分系数；所述Kp2和Ki2分别为当所述电压环差值大于所述第二电压环判断阈值时所述电压环的比例积分控制的比例系数和积分系数；所述VdcErr为所述电压环差值；所述VdcErrThrold1和VdcErrThrold2分别为所述电压环第一判断阈值和电压环第二判断阈值。

作为上述方案的改进，当所述电流环差值大于所述第一电流环判断阈值且小于所述第二电流环判断阈值时，通过以下公式进行线性插值计算得到所述电流环的比例积分控制参数：

其中，所述IacKpSet和IacKiSet分别为所述电流环差值大于所述第一电流环判断阈值且小于所述第二电流环判断阈值时电流环的比例积分控制的比例系数和积分系数；所述IKp1和IKi1分别为当所述电流环差值小于所述第一电流环判断阈值时所述电流环的比例积分控制的比例系数和积分系数；所述IKp2和IKi2分别为当所述电流环差值大于所述第二电流环判断阈值时所述电流环的比例积分控制的比例系数和积分系数；所述IacErr为所述电流环差值；所述IacErrThrold1和IacErrThrold2分别为所述电流环第一判断阈值和电流环第二判断阈值。

作为上述方案的改进，所述开关管为MOS管。

进一步地，本发明还对应提供了一种PFC电路的开关管控制装置，包括：

采样单元，用于基于所述开关管的每一个控制周期采样PFC电路的输入电流、输入电压和母线电压；

电压环偏差控制单元，用于计算母线电压设定值与母线电压的差值，所述差值为电压环差值；基于所述电压环差值进行电压环的偏差控制，得到电压环输出量；其中，当所述电压环差值大于第一电压环判断阈值且小于第二电压环判断阈值时，所述电压环的偏差控制参数通过线性插值的方式设定；

电流环参考值计算单元，用于基于所述电压环输出量计算当前周期的电流环参考值；所述电流环参考值计算单元还用于计算所述当前周期的电流环参考值与上一周期的电流环参考值的差值，若所述差值大于变化阈值时，将所述当前周期的电流环参考值进一步设定为所述上一周期的电流环参考值与所述变化阈值的和值；

电流环偏差控制单元，用于计算电流环参考值与输入电流值的差值，所述差值为电流环差值；基于所述电流环差值进行电流环的偏差控制，得到电流环输出量；其中，当所述电流环差值大于第一电流环判断阈值且小于第二电流环判断阈值时，所述电流环的偏差控制参数通过线性插值的方式设定；

占空比信号输出单元，用于将电流环输出量与前馈量相加得到控制所述PFC电路的开关管导通和截止的占空比信号。

附图说明

图1是一种典型PFC电路的示意图。

图2是PFC电路中电压闪变实验的波形图。

图3是本发明实施例1提供的PFC电路的开关管控制方法的流程图。

图4是本发明实施例2提供的PFC电路的开关管控制方法的流程图。

图5是本发明实施例2提供的PFC电路的开关管控制方法的技术控制框图。

图6是本发明实施例3提供的一种PFC电路的开关管控制装置的结构示意图。

具体实施方式

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。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。

参见图3，是本发明实施例1提供的PFC电路的开关管控制方法的流程图。图3所示的PFC电路的开关管控制方法，包括步骤：

S11、基于所述开关管的每一个控制周期获取PFC电路的输入电流、输入电压和母线电压；

其中，所述输入电流通过在PFC电路中串联一个电流检测用电阻获取；所述母线电压通过分压电路获取；

S12、计算母线电压设定值与所述母线电压的差值，所述差值为电压环差值；基于所述电压环差值进行电压环的偏差控制，得到电压环输出量；其中，当所述电压环差值大于第一电压环判断阈值且小于第二电压环判断阈值时，所述电压环的偏差控制参数通过线性插值的方式设定；

采用线性插值的方式来设定电压环的偏差控制参数，是为了当电压环差值增大时，所述电压环的偏差控制参数也随之增大，可以增强环路的控制作用。

S13、基于所述电压环输出量计算当前周期的电流环参考值；计算所述当前周期的电流环参考值与上一周期的电流环参考值的差值，若所述差值大于所述变化阈值时，所述当前周期的电流环参考值进一步设定为所述上一周期的电流环参考值与所述变化阈值的和值；

在该步骤中，对所述电流环参考值进行了变化范围的限定，可以限定电流环每个控制周期的变化值，从而避免大的冲击电流产生。

S14、计算所述当前周期的电流环参考值与输入电流值的差值，所述差值为电流环插值；基于所述电流环差值进行电流环的偏差控制，得到电流环输出量；其中，当所述电流环差值大于第一电流环判断阈值且小于第二电流环判断阈值时，所述电流环的偏差控制参数通过线性插值的方式设定；

采用线性插值的方式来设定电流环的偏差控制参数，是为了当电流环的差值增大时，所述电流环的偏差控制参数也随之增大，从而增强环路的控制作用和动态响应。

S15、将所述电流环输出量与前馈量相加得到控制所述PFC电路的开关管导通和开关管截止的占空比信号。

在步骤S15中采用了前馈控制，同样具有增强控制动态响应的效果。可以理解的，所述得到控制所述PFC电路的开关管导通和开关管截止的占空比信号具体为，利用上述将所述电流环输出量与前馈量相加得到的值进行比例运算后，对开关管的控制信号进行PWM调制后输出二值逻辑脉冲信号。

参见图4，是本发明实施例2提供的PFC电路的开关管控制方法的流程图。图4所示的PFC电路的开关管控制方法，包括步骤：

S21、基于所述开关管的每一个控制周期获取PFC电路的输入电流、输入电压和母线电压；

其中，在本实施例中，设定控制周期为50us。

S22、计算母线电压设定值与所述母线电压的差值，所述差值为电压环差值；基于所述电压环差值进行电压环的比例积分(PI)控制，得到电压环输出量；当所述电压环差值大于第一电压环判断阈值且小于第二电压环判断阈值时，所述电压环的PI控制的比例系数和积分系数通过以下线性插值计算得到：

其中，所述VdcKpSet和VdcKiSet分别为所述电压环差值大于第一电压环判断阈值且小于第二电压环判断阈值时电压环的PI的比例系数和积分系数；所述Kp1和Ki1分别为当所述电压环差值小于第一电压环判断阈值时电压环的PI控制的比例系数和积分系数，所述Kp2和Ki2分别为当电压环差值大于第二电压环判断阈值时电压环的PI控制的比例系数和积分系数；所述VdcErr为所述电压环差值；所述VdcErrThrold1和VdcErrThrold2分别为所述电压环第一判断阈值和电压环第二判断阈值；

S23、基于所述电压环输出量和以下公式计算当前周期的电流环参考值；

IacRef＝VdcOut*Vac/Vrms^2

其中，所述IacRef为所述当前周期的电流环参考值；所述VdcOut为所述电压环输出量；所述Vac为输入电压；所述Vrms为输入电压的有效值；计算所述当前周期的电流环参考值与上一周期的电流环参考值的差值，若所述差值大于所述变化阈值时，所述当前周期的电流环参考值进一步设定为所述上一周期的电流环参考值与所述变化阈值的和值；

在该步骤中，所述电流环参考值的变化阈值是基于限定的输入电流峰值来计算得到的，因此，通过限定电流环参考值的变化范围可以避免因为输入电压突然下降而引起的过流现象，有效地保护了电路，并且防止了电压闪变而引起的PFC装置进入故障关闭状态，影响设备的正常使用。

S24、计算所述当前周期的电流环参考值与输入电流值的差值，所述差值为电流环差值；基于所述电流环差值进行电流环的比例积分(PI)控制，得到电流环输出量；其中，当所述电流环差值大于第一电流环判断阈值且小于第二电流环判断阈值时，所述电流环的比例积分控制参数通过以下线性插值计算得到：

其中，所述IacKpSet和IacKiSet分别为所述电流环差值大于第一电流环判断阈值且小于第二电流环判断阈值时电流环的PI控制的比例系数和积分系数；所述IKp1和IKi1分别为当所述电流环差值小于第一电流环判断阈值时电流环的PI控制的比例系数和积分系数，所述IKp2和IKi2分别为当电流环差值大于第二电流环判断阈值时电流环的PI控制的比例系数和积分系数；所述IacErr为所述电流环差值；所述IacErrThrold1和IacErrThrold2分别为所述电流环第一判断阈值和电流环第二判断阈值。

S25、将所述电流环输出量与前馈量相加得到控制所述PFC电路的开关管导通和开关管截止的占空比信号；其中，所述前馈量通过以下公式获得：

PWMOutFF＝1-Vac/Vdc

其中，所述PWMOutFF为所述前馈量；所述Vac为所述输入电压值；所述Vdc为所述母线电压值。

应该说明的是，本实施例可采用MOS管或者三级管作为PFC电路的开关管。

参见图5，是本发明实施例2提供的PFC电路的开关管控制方法的技术控制框图。如图5所示，先对母线电压Vdc进行偏差调节过程，先对母线电压Vdc和设定值VdcSet进行差值计算，再对所述差值进行PI控制得到电压环输出量VdcOut，将电压环输出量VdcOut和输入电压Vac、输入电压有效值的平方的倒数进行乘法运算，输出电流环参考值IacRef，再将电流环参考值IacRef与输入电流值Iac进行差值计算，并将所述差值进行PI控制可得到电流环输出量IacOut，最后将电流环输出量IacOut与前馈量PWMOutFF相加可得到调制PWM信号的占空比指令信号，所述PWM信号为控制开关管导通和截止的脉冲信号。

可以理解的，在另一优选实施例中采用比例-积分-微分(PID)控制作为电压环和电流环的偏差控制方式，可以提高控制的精度。

参见图6，是本发明实施例3提供的一种PFC电路的开关管控制装置的结构示意图。如图5所示，所述PFC电路的开关管控制装置100包括采样单元101、电压环偏差控制单元102、电流环参考值计算单元103、电流环偏差控制单元104、占空比信号输出单元105。其中所述采样单元101用于基于所述开关管的每一个控制周期采样PFC电路的输入电流、输入电压和母线电压；所述电压环偏差控制单元102用于计算母线电压设定值与母线电压的差值，基于所述差值进行电压环的偏差控制，输出电压环输出量；所述电流环参考值计算单元103用于基于所述电压环偏差控制单元102输出的电压环输出量确定当前周期的电流环参考值；所述电流环偏差控制单元104，用于计算所述电流环参考值计算单元103输出的电流环参考值与输入电流值的差值，基于所述差值进行电流环的偏差控制，输出电流环输出量；所述占空比信号输出单元105，用于将所述电流环偏差控制单元104输出的电流环输出量与前馈量相加得到控制所述PFC电路的开关管导通和截止的占空比信号。

下面，将对图6所示的PFC电路的开关管控制装置的工作过程进行具体描述。所述电压环偏差控制单元102先对所述采样单元101获取的母线电压值与设定值进行差值计算，再基于所述差值进行偏差控制，得到电压环输出量；其中，当所述电压环差值大于第一电压环判断阈值且小于第二电压环判断阈值时，所述电压环的偏差控制参数通过线性插值的方式设定，且所述电压环的偏差控制为PI控制或者PID控制；接着，上述电压环输出量输送至所述电流环参考值计算单元103进行当前周期的电流环参考值计算；当所述当前周期的电流环参考值与上一周期的电流环参考值的差值大于变化阈值时，将所述当前周期的电流环参考值进一步设定为所述上一周期的电流环参考值与所述变化阈值的和值；然后，所述电流环参考值计算单元103将已确定的当前周期的电流环参考值输送至所述电流环偏差控制单元104，计算电流环参考值与输入电流值的差值，并基于所述差值进行电流环的偏差控制，得到电流环输出量；其中，当所述电流环差值大于第一电流环判断阈值且小于第二电流环判断阈值时，所述电流环的偏差控制参数通过线性插值的方式设定，所述电流环的偏差控制为PI控制或者PID控制；最后，所述占空比信号输出单元105将上述电流环输出量与前馈量相加后确定PWM信号的占空比输出脉冲信号，从而控制开关管的导通和开关管的截止。本发明实施例提供的开关管控制装置在电压环和电流环的偏差控制中对控制的参数进行线性插值处理，且限制电流参考值的变化范围，还进一步在装置中加入前馈控制，可以防止电压闪变过程中的过流以及母线过欠压现象的产生，保证了PFC装置工作的稳定性。

综上所述，本发明实施例提供的PFC电路的开关管控制方法，通过线性插值的方式来设定电压环和电流环的偏差控制参数，且限制了电流环参考变化的范围，并进一步对电流环的偏差控制输出值进行前馈控制得出控制PFC的开关管导通和截止的占空比信号，解决了现有技术PFC控制电路不能消除因为电压闪变引起的PFC电路的过流或母线过欠压现象，有效避免了PFC装置因为电压闪变而频繁重启现象，保证了电网工作的稳定性，提高了PFC装置工作的寿命。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。