一种用于优化临界PFC过零信号检测的电路及控制方法与流程

一种用于优化临界pfc过零信号检测的电路及控制方法
技术领域
1.本发明属于电路检测技术领域，具体为一种用于优化临界pfc过零信号检测的电路及控制方法。


背景技术：

2.pfc(功率因数校正)功率因数指的是有效功率与总耗电量(视在功率)之间的关系，也就是有效功率除以总耗电量的比值。基本上功率因数可以衡量电力被有效利用的程度，当功率因数值越大，代表其电力利用率越高。功率因数是用来衡量用电设备用电效率的参数，低功率因数代表低电力效能。为了提高用电设备功率因数的技术就称为功率因数校正。
3.本控制方法主要用于临界boost pfc电路拓扑应用，在数字化控制的临界boost pfc电路中，需要在boost电感电流过零时产生一个过零信号(zcd)，此过零信号可以直接或间接控制boost开关管的导通，当检测到boost电感电流过零新型号不稳定时，比如投载、卸载和输入电压抖动等情况，容易出现无法检测到过零信号的情况，导致错失boost开关管的导通时刻，从而发生输入过流、boost pfc电路的母线电压过压、欠压，甚至boost开关管损坏的现象，因此可靠地检测到boost pfc电路的过零信号，在boost pfc电路的应用中非常重要。
4.在现有技术中，对于boost pfc电路中无法可靠地检测到过零信号时的处理方法以及对应的缺陷，一般包括以下，
5.1、等待boost电感电流的过零信号，当检测到稳定过零信号，控制开关管导通。该方法会造成的问题是，连续的过零信号的丢失，会造成无法控制开关管导通，使得boost pfc母线电压大幅跌落，造成boost pfc后级工作异常。
6.2、定义固定的时间，如果超过定义的固定时间没有检测到过零信号，则立即控制开关管导通。该方法的问题是，会造成开关管导通的延迟，使得boost pfc电路的母线电压控制不稳定，且容易造成母线电压过压、欠压和输入过流的现象。
7.3、通过辅助绕组来检测电感电流，从而避免电感电流过零信号检测不可靠的问题。该方法存在的问题是，通过辅助绕组来检测电感电流，小电流检测误差较大，且会增加电路复杂度，增加电路成本。


技术实现要素：

8.本发明提出了一种用于优化临界pfc过零信号检测的电路及控制方法，主要解决硬件控制下，当无法可靠的检测到boost电感电流过零信号的问题，本发明通过数字化控制提前介入，不再等待过零信号，通过算法算出boost开关管的导通时间和导通周期，主动驱动boost开关管的导通和关断。能够对不稳定的过零信号进行及时的发现和干预，使得电路的输出更加稳定，容错率高，保证后级电路的正常运行。
9.本发明的技术方案如下：
10.一种用于优化临界pfc过零信号检测的电路，该电路基于boost pfc电路，所述boost pfc电路包括电压源、电感l1、开关管q1、二极管d1、电阻rl和电容c1，所述电压源的正极经过所述电感l1连接所述开关管的漏极，所述开关管的源极接电源地，所述开关管的漏极还连接所述二极管d1的正极，所述二极管d1的负极和电源地之间连接有所述电容c1和所述电阻rl，所述电容c1和所述电阻rl并联连接，该用于优化临界pfc过零信号检测的电路还包括开关管控制单元，所述开关管控制单元包括微控制器和比较模块，所述微控制器内部包括脉冲模块，所述开关管的栅极连接所述开关管控制单元在所述微控制器所对应的输出管脚，所述脉冲模块用来控制开关管的通断，所述比较模块的输出端与所述脉冲模块对应在所述控制器的输入管脚连接，所述脉冲模块的输出端控制连接所述开关管的栅极，所述比较模块用于采集并比较所述开关管的漏极电压和所述boost pfc电路的母线电压，所述比较模块的同相端连接所述开关管的漏极，所述比较模块的反向端连接所述boost pfc电路的母线，所述微控制器还包括模数转换模块，所述模数转换模块的信号输入端分别连接所述电压源和所述boost pfc电路的母线，所述模数转换模块用于采集所述boost pfc电路的输入电压和母线电压，所述模数转换模块的输出端经过所述微控制器内部的运算模块与所述脉冲模块信号连接。
11.作为本方案的进一步优化，所述微控制器和所述开关管的栅极之间设置有驱动模块。
12.一种用于优化临界pfc过零信号检测的控制方法，该方法基于一种用于优化临界pfc过零信号检测的电路，该方法还基于数字化控制方法，包括
13.计算电压差，所述模数转换模块采集所述boost pfc电路的母线电压和所述boost pfc电路的输入电压，将模拟电压量转换为数字量，并输入计算模块计算二者的电压差；
14.过零信号异常判断，根据所述计算电压差步骤中的计算结果，判断过零信号是否正常，如果正常，则继续执行过零信号正常控制模式；否则，执行过零信号异常控制；
15.过零信号异常控制，停止过零信号正常控制模式，数字控制介入，所述微控制器根据开关管的导通周期和导通时间，对开关管进行控制；
16.恢复正常控制模块，当检测到所述boost pfc电路的母线电压和所述boost pfc电路的输入电压的电压差正常时，恢复硬件控制。
17.作为本方案的进一步优化，所述过零信号异常判断步骤包括，
18.微控制器判断是否在执行过零信号异常控制，如果正在执行过零信号异常控制，则进行第一标准判断；否则进行第二标准判断；
19.所述第一标准判断包括，若电压差大于δv1，且持续时间大于δt1，则判定过零信号正常，执行过零信号正常控制模式，否则执行过零信号异常控制；
20.所述第二标准判断包括，若电压差小于δv2，且持续时间小于δt2，则执行过零信号异常控制，否则判定过零信号正常，执行过零信号正常控制模式。
21.作为本方案的进一步优化，其中δv1》δv2，δt1》δt2。
22.作为本方案的进一步优化，所述过零信号异常控制步骤包括，
23.s3-1，停止硬件过零信号正常控制模式，
24.s3-2，计算开关管应执行的导通时间ton和导通周期t；
25.s3-3，在每个导通周期中加入时间裕量，
26.s3-4，将增加了时间裕量后的导通周期tadd和导通时间ton存入所述脉冲模块，对开关管进行直接控制，直到所述boost pfc电路的母线电压和所述boost pfc电路的输入电压的电压差正常。
27.作为本方案的进一步优化，在所述s3-2中，
[0028][0029][0030]
其中，po是指输出功率，v
rms
是指输入电压有效值。
[0031]
作为本方案的进一步优化，在所述s3-3中，所述时间裕量随着执行导通周期的次数逐次递减。
[0032]
作为本方案的进一步优化，对所述过零信号异常控制步骤中第一个周期增加时间裕量为导通周期的50％；第二个周期增加时间裕量为导通周期的25％；第三个周期增加时间裕量为导通周期的12.5％；第三个周期及以后所有周期的所增加的时间裕量为导通周期的12.5％。
[0033]
作为本方案的进一步优化，在所述s3-4中，判断过程即执行所述过零信号异常判断步骤。
[0034]
作为本方案的进一步优化，所述恢复硬件控制步骤包括，结束所述过零信号异常控制步骤，执行过零信号正常控制模式。
[0035]
本发明的工作原理及有益效果为：
[0036]
本控制方法主要用于数字化控制的临界boost pfc电路拓扑应用，主要解决数字化控制下，当无法可靠的检测到boost电感电流过零信号时，数字化控制提前介入，不再等待过零信号，而是通过算法算出boost开关管的导通时间和导通周期，主动驱动boost开关管的导通和关断。当可以可靠的检测到boost电感电流过零信号时，返回正常控制方式，即导通时刻由过零信号来触发。
[0037]
在投载、卸载和输入电压抖动时，会造成boost pfc电路的母线电压的抖动，从而导致boost电感电流过零信号异常，本发明能有效的减小boost电感电流过零信号异常时boost pfc母线电压的抖动和输入电流的尖峰，提高了控制的稳定性，避免母线电压过压、欠压、输入过流和boost开关管损坏的现象。
[0038]
数字化控制下，当无法可靠地检测到boost电感电流过零信号时，数字化控制提前介入，不再等待过零信号，而是通过算法算出boost开关管的导通时间和导通周期，主动驱动boost开关管的导通和关断。当能够可靠的检测到boost电感电流过零信号时，返回正常控制方式，即导通时刻由过零信号来触发。
附图说明
[0039]
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0040]
图1为本发明中电路的电路原理图；
[0041]
图2为本发明中方法的流程框图。
具体实施方式
[0042]
下面将结合本发明实施例，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都涉及本发明保护的范围。
[0043]
具体实施例1，如说明书附图1所示，一种用于优化临界pfc过零信号检测的电路，该电路基于boost pfc电路，所述boost pfc电路包括电压源、电感l1、开关管q1、二极管d1、电阻rl和电容c1，所述电压源的正极经过所述电感l1连接所述开关管的漏极，所述开关管的源极接电源地，所述开关管的漏极还连接所述二极管d1的正极，所述二极管d1的负极和电源地之间连接有所述电容c1和所述电阻rl，所述电容c1和所述电阻rl并联连接，该用于优化临界pfc过零信号检测的电路还包括开关管控制单元，所述开关管控制单元包括微控制器和比较模块，所述微控制器内部包括脉冲模块，所述开关管的栅极连接所述开关管控制单元在所述微控制器所对应的输出管脚，所述脉冲模块用来控制开关管的通断，所述比较模块的输出端与所述脉冲模块对应在所述控制器的输入管脚连接，所述脉冲模块的输出端控制连接所述开关管的栅极，所述比较模块用于采集并比较所述开关管的漏极电压和所述boost pfc电路的母线电压，所述比较模块的同相端连接所述开关管的漏极，所述比较模块的反向端连接所述boost pfc电路的母线，其特征在于，所述微控制器还包括模数转换模块，所述模数转换模块的信号输入端分别连接所述电压源和所述boost pfc电路的母线，所述模数转换模块用于采集所述boost pfc电路的输入电压和母线电压，所述模数转换模块的输出端经过所述微控制器内部的运算模块与所述脉冲模块信号连接。
[0044]
本发明作用于boost升压电路，该电路基本原理如下，
[0045]
存在电压源，在图1中电压源为交流电输入，经过整流器输出脉动直流电压，pwm和驱动器组组成脉冲模块，pwm输出方波信号也就是pwm控制信号，驱动器可以提高带负载能力，保证信号波形的稳定，pwm通过驱动器控制开关管的导通和关断，当开关管导通时，开关管短路掉负载，电流通过电感l1，再经过开关管流向电源地，在该过程中，电感l1充电，电容c1向负载放电；当开关管关断时，电流经过负载流向电源地，此时电感l1内存储的电流会继续释放，电感l1作为电源和原本电压源串联，因此电路中电压升高，在带负载的同时还像电容c1充电，完成一个升压周期。在开关管导通的情况下，二极管d1可以防止电容c1所释放的电流流向开关管，使得开关管所承受电流过大。其中微控制器可以是单片机、cpu或者计算机等能够实现数据处理的设备实现，微控制器是自带pwm脉冲模块、计算模块、和数模转换模块的。
[0046]
过零信号正常控制，也就是硬件控制，这属于现有技术的控制方法，是通过比较器采集，比较模块包括比较器，实时比较pfc母线电压和开关管的漏极，当开关管栅极为低电位时，开关管关断，此时电感l1放电，电容c1充电，当电感放电电流为零时，开关管漏极电压vd下降，vd电压下降低于v
bus
电压一定阈值时，则比较器的输出会反转为低电位，即说明检测到过零信号，并将信号发送至脉冲模块，脉冲模块输出高电位命令开关管导通；在开关管栅极为高电位时，开关管导通，此时电感l1充电，电容c1放电，开关管漏极电压vd升高，vd电压上升高于v
bus
电压一定阈值时，比较器恢复输出高电位，开关管的导通由导通时间控制，当导通时间一到，脉冲模块则输出低电位，恢复至电感l1放电，电容c1充电，往复循环。但是，
使用该种过零信号检测控制时，会发生有时母线电压v
bus
过低，且当电感放电电流为零时，开关管漏极电压vd下降，但vd电压依旧大于v
bus
电压，则比较器无法翻转，导致pwm输出无效，错失开关管的导通时刻，使得临界boost pfc控制失效。
[0047]
而本技术通过对母线电压和该pfc电路的输入电压的电压差为参照，由于该升压电路在正常工作是，母线电压会远高于输入电压，也就是电源电压，当母线电压值接近输入电压值时，说明该pfc电路基本无效，也就是母线电压过低，比较器无法翻转，模数转换模块不断对输入电压和母线电压进行采集，并将模拟量转换为具体数据值，在微控制器的计算模块进行减法运算(该调用计算模块的过程相当于调用单片机或者计算机内的计算功能根据代码进行减法运算，由于在微控制器中具体数值的减法运算通过常规代码或命令可以实现，在附图1中没有标注计算模块，也可以理解微控制器直接执行计算模块的功能)，当电压差小于一定值时，说明母线电压过低，可以判断发生过零信号丢失的异常，则主动关闭硬件控制，执行本发明的方法。
[0048]
具体实施例2，
[0049]
如说明书附图2所示，一种用于优化临界pfc过零信号检测的控制方法，该方法基于权利要求1所述的一种用于优化临界pfc过零信号检测的电路，该方法还基于数字化控制方法，包括
[0050]
计算电压差，所述模数转换模块采集所述boost pfc电路的母线电压和所述boost pfc电路的输入电压，并计算二者的电压差；通过电压差执行过零信号异常判断步骤。
[0051]
过零信号异常判断，根据所述计算电压差步骤中的计算结果，判断过零信号是否正常，如果正常，则继续执行过零信号正常控制模式；否则，执行数字控制介入步骤；
[0052]
过零信号异常判断步骤包括，判断是否在执行过零信号异常控制，如果正在执行过零信号异常控制，则进行第一标准判断；否则进行第二标准判断；
[0053]
所述第一标准判断包括，若电压差大于δv1，且持续时间大于δt1，则判定过零信号正常，执行过零信号正常控制模式，否则执行过零信号异常控制；
[0054]
所述第二标准判断包括，若电压差小于δv2，且持续时间小于δt2，则执行过零信号异常控制，否则判定过零信号正常，执行过零信号正常控制模式；其中δv1》δv2，δt1》δt2。
[0055]
过零信号异常判断步骤包括，过零信号异常判断步骤和计算电压差步骤是实时发生的，即模数转换模块持续从pfc电路的母线和pfc电路的输入电压采集电压信号并输入微控制器计算电压差，若当前状态正在执行过零信号异常控制模式，如果检测到电压差大于δv1时，微控制器开始对大于δv1的电压差持续时间进行计时，以首次检测到大于δv1的电压差信号为起始时间，当记录到电压差大于δv1的持续时间超过δt1时，则视为过零信号恢复正常，结束过零异常控制模式，否则数字控制继续干预过零信号的生成。当前状态正在执行过零信号正常控制模式，如果检测到电压差小于δv2时，微处理器开始对小于δv2的电压差持续时间进行计时，以首次检测到小于δv2的电压差信号为起始时间，当记录到电压差小于δv2的持续时间超过δt2时，则视为过零信号恢复正常，结束过零异常控制模式，否则数字控制继续干预过零信号的生成。
[0056]
其中，δv1可以选用25v，δv2可以选用35v，δt1可以选用300us，δt2可以选用200us。
[0057]
过零信号异常控制，数字控制介入，停止过零信号正常控制模式，所述微控制器根据开关管的导通周期和导通时间，对开关管进行控制；
[0058]
所述过零信号异常控制步骤包括，
[0059]
s3-1，停止硬件过零信号的干预，即结束过零信号正常控制模式，主动驱动boost pfc电路中开关管的通断。
[0060]
s3-2，计算开关管应执行的导通时间ton和导通周期t；
[0061][0062][0063]
其中，po是指输出功率，v
rms
是指输入电压有效值。
[0064]
s3-3，在每个导通周期中加入时间裕量，所述时间裕量随着执行导通周期的次数逐次递减。对于递减量，可以选择，对所述过零信号异常控制步骤中第一个周期增加时间裕量为导通周期的50％；第二个周期增加时间裕量为导通周期的25％；第三个周期增加时间裕量为导通周期的12.5％；第三个周期及以后所有周期的所增加的时间裕量为导通周期的12.5％。
[0065]
s3-4，将增加了时间裕量后的导通周期tadd和导通时间ton存入所述脉冲模块，对开关管进行直接控制，直到所述boost pfc电路的母线电压和boost pfc电路的输入电压的电压差正常。判断过程即执行所述过零信号异常判断步骤。
[0066]
恢复硬件控制，当检测到所述boost pfc电路的母线电压和boost pfc电路的输入电压的电压差正常时，恢复过零信号正常控制模式。所述恢复硬件控制步骤包括，结束所述过零信号异常控制步骤，通过硬件执行过零信号正常控制模式。
[0067]
具体实施例3，
[0068]
在数字化控制的临界boost pfc电路拓扑中，如说明书附图1所示，需要在boost电感电流过零时产生一个过零信号zcd，此过零信号zcd可以直接或间接控制boost开关管的导通，从而达到软开关的目的。检测电感电流过零的方法主要有两种，第一种方法是采用辅助绕组检测电流，第二种方法是检测开关管漏级电压。
[0069]
本发明专利采用的是第二种方法，通过检测开关管漏级电压和boost pfc母线电压，两者作为比较器的输入信号，当检测到开关管漏级电压比boost pfc母线电压低一定值时，比较器输出一个触发信号，这个触发信号就是电感电流过零的信号，但是在boost pfc母线电压不稳定的时候，比如投载、卸载和输入电压抖动时，容易出现无法检测到过零信号的情况，导致错失boost开关管的导通时刻，从而发生输入过流、boost pfc母线电压过压、欠压，甚至boost开关管损坏的现象。
[0070]
本发明基于数字化控制的方法，主动检测并判断boost电感电流过零信号是否异常，当异常时，数字控制主动介入，通过算法算出boost开关管的导通和关断时刻，主动驱动boost开关管的导通和关断，很好的解决了过零信号丢失时的控制问题，控制流程如下：
[0071]
第一步，根据当前的输入电压和boost pfc母线电压，当boost pfc母线电压减去输入电压的差小于一定值(比如20v)，且持续一段时间后(比如200us)，认为这是过零信号异常的情况。
[0072]
当是过零信号异常的情况时，数字控制主动介入，不再使用硬件的过零信号作为控制boost开关管的导通信号，通过算法算出boost开关管的导通和关断时刻，即算出导通时间和导通周期。
[0073]
理论导通时间ton由通用的临界控制公式计算所得，理论导通周期t由伏秒平衡原理计算所得，计算公式如下：
[0074][0075][0076]
其中，po是指输出功率，v
rms
是指输入电压有效值。
[0077]
第二步，计算得到的理论导通周期t，需要增加一定的时间裕量，增加的时间裕量按逐步逼近的方法从50％递减至12.5％，即先增加50％的时间裕量一个周期，再减至25％的时间裕量一个周期，最后稳定在12.5％的时间裕量。这是为了防止导通周期过短，造成boost电感电流进入连续模式，同时也为了避免导通周期过长，造成boost电感电流有异常的音频噪声。
[0078]
第三步，把增加了时间裕量之后的导通周期tadd和ton载入pwm寄存器，从而控制导通和关断时刻。
[0079]
第四步，当boost pfc母线电压减去输入电压的差大于一定值(比如25v)，且持续一段时间后(比如300us)，认为过零信号已经恢复正常，数字控制主动重新使用硬件的过零信号作为控制boost开关管的导通信号。
[0080]
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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。