一種功率因數(shù)校正電路的母線電壓紋波補(bǔ)償控制電路的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型屬于整流控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種功率因數(shù)校正電路的母線電壓 紋波補(bǔ)償控制電路。
【背景技術(shù)】
[0002] 功率因數(shù)指的是有功功率與總耗電量（視在功率）之間的關(guān)系，也就是有功功率 除以總耗電量（視在功率）的比值?；旧瞎β室驍?shù)可以衡量電力被有效利用的程度，功 率因數(shù)值越大，代表其電力利用率越高。
[0003]目前很多電器設(shè)備所需電能的形式是直流，需要將電網(wǎng)上的交流電能轉(zhuǎn)化為直流 電能。這就需要整流電路將交流電轉(zhuǎn)化為直流電。早期的不控整流電路雖然具有簡(jiǎn)單，成 本較低的特點(diǎn)，但是會(huì)帶來很多諧波，功率因數(shù)很低，還會(huì)給其他的用電設(shè)備帶來干擾。目 前國(guó)際上和國(guó)內(nèi)都對(duì)用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波和功率因數(shù)提出了一定的要求。因此，功率因數(shù) 校正（PFC:Power Factor Correction)電路得到了普及。
[0004] 目前應(yīng)用最普遍的單相PFC電路拓?fù)錇锽oost，輸入為電網(wǎng)交流電。輸出直流電， 基本電路拓?fù)淙鐖D1所示：在圖1中，L和N為交流輸入端，DC+和DC-為直流輸出端，控制 目的是將交流輸入側(cè)的輸入電流控制成與輸入電壓波形相位一致的正弦波。由于輸入電壓 為正弦波，輸入電流也為正弦波，那么輸入的瞬時(shí)功率波形也為正弦形式。在輸入電壓過零 點(diǎn)處，輸入瞬時(shí)功率為零，在輸入電壓達(dá)到峰值時(shí)，輸入功率也達(dá)到峰值。但是輸出電壓為 直流，因此輸出的功率也為直流形式，因此就會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)輸入和輸出功率不相等的狀態(tài)，這 個(gè)功率上的差值就是靠輸出電容來平衡的。當(dāng)輸入瞬時(shí)功率小于輸出功率時(shí)，電容釋放能 量，輸出電壓會(huì)降低。當(dāng)輸入功率超過輸出功率時(shí)，電容吸收能量，輸出電壓會(huì)升高。這就 是單相PFC電路的工作狀態(tài)，因此其輸出電壓必然會(huì)存在波動(dòng)，其波動(dòng)的幅度與輸出功率 和電容的容值等因素有關(guān)，簡(jiǎn)單的說，功率越大，波動(dòng)越大，電容越大，波動(dòng)越小。圖2和圖 3為目前常見的單相PFC電路輸入電壓電流和輸出電壓的典型波形圖。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0005] 針對(duì)上述問題，本實(shí)用新型的主要目的是保證輸入電流波形質(zhì)量的前提下，提高 電壓環(huán)的帶寬，進(jìn)而提高電壓環(huán)的動(dòng)態(tài)性能。減小PFC輸出電壓受負(fù)載變化引起的波動(dòng)幅 度，進(jìn)而降低整個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)難度和成本。
[0006] 本實(shí)用新型是通過下述技術(shù)方案來解決上述技術(shù)問題的：一種功率因數(shù)校正電路 的母線電壓紋波補(bǔ)償控制電路，所述功率因數(shù)校正電路的母線電壓紋波補(bǔ)償控制電路包括 不控制整流橋BD1、電感L1、全控型半導(dǎo)體器件Q1、二極管D1、電容C1 ;輸入電壓采樣模塊、 電感電流采樣模塊、輸出電壓采樣模塊、輸出電壓控制環(huán)路的調(diào)節(jié)器Gcv、輸入電流控制環(huán) 路的調(diào)節(jié)器Gci、PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生模塊PWM、計(jì)算模塊一和計(jì)算模塊二；
[0007] 輸入電壓采樣模塊和電感電流采樣模塊均安裝在整流后的輸入電壓和電感L1之 間，輸入電流控制環(huán)路的調(diào)節(jié)器Gci通過PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生模塊連接在全控型半導(dǎo)體器件 Q1的控制信號(hào)接收極，所述功率因數(shù)校正電路的母線電壓紋波補(bǔ)償控制電路還包括紋波發(fā) 生器，所述紋波發(fā)生器連接在輸出電壓采樣模塊上；
[0008] 計(jì)算模塊一與輸入電壓采樣模塊連接，計(jì)算模塊二與計(jì)算模塊一、輸入電壓采樣 模塊、輸出電壓控制環(huán)路的調(diào)節(jié)器Gcv均連接。
[0009] 在本實(shí)用新型的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例子中，所述計(jì)算模塊一計(jì)算輸入電壓有效值和輸 入電壓采樣系數(shù)的乘積的。
[0010] 在本實(shí)用新型的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例子中，所述計(jì)算模塊二有三個(gè)輸入信號(hào)，分別為 A、B、和C，此模塊計(jì)算Km*A*B/C的結(jié)果，Km是一個(gè)固定的系數(shù)，A為輸出電壓控制環(huán)路的調(diào) 節(jié)器Gcv的輸出值，B為輸入電壓采樣模塊中測(cè)得的輸入電壓采樣值，C為計(jì)算模塊一的計(jì) 算輸出值。
[0011] 本實(shí)用新型的積極進(jìn)步效果在于：本實(shí)用新型提供的功率因數(shù)校正電路的母線電 壓紋波補(bǔ)償控制電路具有以下優(yōu)點(diǎn)：本實(shí)用新型將PFC輸出電壓的波動(dòng)信號(hào)在控制環(huán)路中 去掉，進(jìn)而可以提高電壓環(huán)的帶寬，同時(shí)保證輸入波形質(zhì)量。
【附圖說明】
[0012] 圖1為目前常見的單相PFC電路。
[0013] 圖2為目前常見的單相PFC電路輸入電壓和電流的典型波形圖。
[0014] 圖3為目前常見的單相PFC電路輸出電壓的典型波形圖。
[0015] 圖4為目前常見的單相PFC電路的控制原理圖。
[0016] 圖5為采用母線電壓紋波補(bǔ)償?shù)膯蜗郟FC電路的控制原理圖。
[0017] 圖6為采用了圖5中的電路仿真的輸入電流的穩(wěn)態(tài)波形的圖。
[0018] 圖7為采用了圖5中的電路仿真的輸出電壓的穩(wěn)態(tài)波形的圖。
[0019] 圖8為采用了圖4中的電路仿真的輸入電流的穩(wěn)態(tài)波形圖。
[0020] 圖9為采用了圖4中的電路仿真的輸出電壓的穩(wěn)態(tài)波形圖。
[0021] 圖10為采用了圖5中的電路仿真的負(fù)載突變情況下的輸出電壓的波形的圖。
[0022] 圖11為采用了圖5中的電路仿真的負(fù)載突變情況下的輸入電流的波形的圖。
[0023] 圖12為采用了圖4中的電路仿真的負(fù)載突變情況下的輸出電壓的波形的圖。
[0024] 圖13為采用了圖4中的電路仿真的負(fù)載突變情況下的輸入電流的波形的圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025] 下面結(jié)合附圖給出本實(shí)用新型較佳實(shí)施例，以詳細(xì)說明本實(shí)用新型的技術(shù)方案。
[0026] 使輸入電流跟隨輸入電壓的波形變化，關(guān)鍵是靠控制的方法實(shí)現(xiàn)的。圖4是目前 普遍采用的一種PFC控制原理圖。PFC電路需要控制的變量有兩個(gè)，一個(gè)輸出電壓Vdc，另 一個(gè)是輸入電流。Vdc的控制目標(biāo)是使Vdc的平均值達(dá)到輸出負(fù)載需要的電壓值。輸入電 流的控制目標(biāo)是使輸入電流的波形成為與輸入電壓同相位的正弦波。其幅值大小由輸出負(fù) 載決定。為了達(dá)到這兩個(gè)控制目的，需要兩個(gè)控制環(huán)路：輸出電壓控制環(huán)路，輸入電流控制 環(huán)路。輸出電壓控制環(huán)路的調(diào)節(jié)器為Gcv，輸入電流控制環(huán)路的調(diào)節(jié)器為Gci。電壓環(huán)的指 令為Vref，即希望電路的輸出電壓值。電流環(huán)的指令的構(gòu)成較復(fù)雜，是由電壓調(diào)節(jié)器的輸 出信號(hào)A，輸入電壓采樣信號(hào)B，和輸入電壓采樣信號(hào)有效值C，和一個(gè)常數(shù)Km，按照?qǐng)D示公 式所產(chǎn)生。其中輸入電壓采樣信號(hào)B的作用是使電流指令的形狀和相位與輸入電壓一致，A 的作用用于調(diào)節(jié)電流指令的幅度，控制輸入功率和輸出功率平衡。當(dāng)輸出功率增大時(shí)，Vdc 會(huì)降低，電壓環(huán)調(diào)節(jié)器會(huì)收到一個(gè)正的誤差信號(hào)，其輸出A會(huì)增大，進(jìn)而使電流環(huán)指令I(lǐng)ref 幅值增大。進(jìn)而使輸入電流增大，增加輸入功率，使輸出電壓重新回到設(shè)定值，反之亦然。 輸入電壓有效值C的目的主要是為了加快電流指令受到輸入電壓波動(dòng)影響的反映速度。如 果輸出功率恒定，輸入電壓突然間小，C也隨之減小，此時(shí)根據(jù)圖示所示的公式，電流指令會(huì) 相應(yīng)增大。維持輸入功率不變，而無需電壓調(diào)節(jié)器的輸出A變化，反之亦然。因此，使輸入 電流的功率因數(shù)提高，必須使電流指令信號(hào)的形狀和相位與B的形狀和相位一致。因此，就 必須保證C和A的波形為直流，不能有波動(dòng)，C為有效值，自然為直流量。但是，電壓調(diào)節(jié)器 的輸出A為直流卻不容易，根據(jù)前面的分析，輸出電壓必然存在一個(gè)兩倍于輸入電壓頻率 的正弦波動(dòng)，但是電壓環(huán)的指令信號(hào)卻是一個(gè)直流信號(hào)。因此電壓調(diào)節(jié)器的輸入誤差信號(hào) 必然是一個(gè)存在兩倍輸入電壓頻率的波動(dòng)信號(hào)。假設(shè)輸入電壓頻率為50Hz，那么誤差信號(hào) 的波動(dòng)頻率為100Hz，以常見PID調(diào)節(jié)器為例，如果想讓調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)能夠忽略這個(gè)波 動(dòng)，只對(duì)輸出電壓的平均值起作用，那么電壓環(huán)的帶寬就必須遠(yuǎn)低于100Hz，只有帶寬足夠 低，控制環(huán)路才能夠忽略這個(gè)100Hz的波動(dòng)信號(hào)的影響。如果帶寬較高，電壓調(diào)節(jié)器就會(huì)識(shí) 別出這個(gè)波動(dòng)，使電流指令的波形不再是正弦波，朝著使輸出電壓波動(dòng)盡量小的方向調(diào)節(jié) 輸入電流的波形。因此，輸入電流波形的正弦程度和輸出電壓的波動(dòng)大小是一對(duì)矛盾。
[0027] 從上面的分析可以看到，傳統(tǒng)的PFC控制策略中，電壓環(huán)的帶寬受到很大的制約， 改善輸入電流波形的途徑主要是：1.增大輸出電容，使輸出電壓的波動(dòng)減小，從而使電壓 調(diào)節(jié)器的輸入誤差信號(hào)的波動(dòng)減小，達(dá)到改善電流指令信號(hào)波形的目的；2.降低電壓環(huán)的 控制帶寬，使電壓調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)變的更加平直，達(dá)到改善電流指令信號(hào)的目的。這兩個(gè) 措施都會(huì)對(duì)產(chǎn)品產(chǎn)生負(fù)面影響.增大電容，會(huì)增加產(chǎn)品成本和體積。降低電壓環(huán)控制帶寬 會(huì)降低輸出電壓的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)能力。比如，當(dāng)輸出負(fù)載突變時(shí)，輸出電壓的波動(dòng)會(huì)很大，不能 很快調(diào)節(jié)到希望的電壓值。這個(gè)動(dòng)態(tài)調(diào)整過程的幅度和時(shí)間達(dá)到一定程度，對(duì)客戶來說往 往是不能夠接受的。那些對(duì)負(fù)載動(dòng)態(tài)變化調(diào)整性能要求較高的產(chǎn)品，往往采用兩級(jí)結(jié)構(gòu)，前 級(jí)為PFC，主要用于控制輸入電流整形，后級(jí)為Drac，一個(gè)直流輸入直流輸出的變換器。后 級(jí)的作用主要有兩個(gè)，一個(gè)是當(dāng)產(chǎn)品需要絕緣時(shí)，提供絕緣：二是提高產(chǎn)品輸出的動(dòng)態(tài)調(diào)整 能力，后級(jí)的控制帶寬較高，使負(fù)載突變時(shí)，或者PFC輸出電壓波