PFC电路控制方法及应用该控制方法的无环路PFC控制电路

摘要

本发明涉及一种PFC电路控制方法，其仅使用到Vg和Ig两个变量，中间无电压环路的计算和电流环路的计算，即有效得出占空比，实现了PFC的整个控制过程；还涉及一种无环路PFC控制电路，运用软件数据处理模块进行占空比运算，以对开关管进行控制，在实现传统PFC功能的基础上，控制过程无任何环路计算，使得实现过程大幅简化，降低了PFC模块的应用难度，实现了较高的PF值。

说明书

技术领域

本发明涉及电路领域，尤其涉及PFC电路控制方法及应用该控制方法的无环路PFC控制电路。

背景技术

目前，家用变频空调系统为了使压缩机运行稳定，通常需要增加一个BOOST电路，进行PFC控制，以保持空调系统在大功率运行期间保持电压稳定，从而保证压缩机的平稳运行，同时使电源电流跟随输入电压，使电流和电压保持同相位，以满足国家对电网谐波的要求。但是由于BOOST电路控制需要电压环和电流环进行控制，如图1所示，包括以下步骤：

1、首先实际母线电压与参考电压差值经过PI环节，作为电压环路控制的输出。

2、然后是电感电压经过比例放大1/K后，与电压环控制的输出相乘，乘积作为电流环路的电流参考。

3、实际电流经过Rs进行采样后，与参考电流比较，然后经过PI校正作为控制开关管S的占空比，实现对BOOST电路进行控制。其运算过程过于复杂，使PFC模块应用难度大。

发明内容

本发明的目的在于为克服现有技术的不足而提供PFC电路控制方法及应用该控制方法的无环路PFC控制电路。

PFC电路控制方法，应用于BOOST拓扑结构电路，包括以下步骤：

S1、在PFC电路中采样，获取PFC电路中的输入电压Vg的实时数值、电感电流Ig的实时数值及系统参考电压值Vref，并求取输入电压的平均值及电感电流的平均值

S2、基于公式将所述输入电压的平均值电感电流的平均值系统参考电压值Vref以及电感电流Ig的实时数值进行运算，得到开关管的占空比反值

S3、将所述占空比反值以反相器进行反相，输出开关管的占空比d；

S4、基于开关管的占空比d，控制PFC电路中开关管的状态，使PFC电路中电感电流Ig的低频波形跟随输入电压Vg的波形，并保持输出电压稳定。

进一步地，所述步骤S1中，输入电压的平均值电感电流的平均值通过低通滤波器运算得到。

进一步地，所述系统参考电压值Vref为330V。

进一步地，在PFC电路中采样，获取PFC电路中的输出电压V0的实时数值，并求取输出电压平均值对输出电压的稳定情况进行确认。

进一步地，或可以步骤S2-1替换所述步骤S2，该步骤S2-1为：获取常数Kref，所述Kref＝1/Vref，基于公式将所述输入电压的平均值电感电流的平均值常数Kref以及电感电流Ig的实时数值进行运算，得到开关管的占空比反值

本发明提出的一种PFC电路控制方法，其仅使用到Vg和Ig两个变量，中间无电压环路的计算和电流环路的计算，即有效得出占空比d，实现了PFC的整个控制过程。

本发明还提出一种上述控制方法的无环路PFC控制电路，所述PFC电路连接有软件数据处理模块，该软件数据处理模块包括：

控制器K1，其用于获取PFC电路输入电压的实时数值Vg；其输出端连接有第一低通滤波单元以用于求取PFC电路中输入电压的平均值

控制器K2，其用于获取PFC电路电感电流的实时数值Ig；其输出端连接有第二低通滤波单元以用于求取PFC电路中电感电流的平均值

第一除法计算单元，其输入端分别连接所述第一低通滤波单元的输出端及第二低通滤波单元的输出端；

第二除法计算单元，其输入端连接所述第一除法计算单元的输出端；

参考值单元，其输出端连接所述第二除法计算单元的输入端；

乘法计算单元，其输入端连接所述第二除法计算单元输出端及控制器K2输出端；

反相器，其输入端连接所述乘法计算单元输出端，其输出端连接有开关管。

进一步地，或可使所述软件数据处理模块采用第二乘法计算单元以替换所述第二除法计算单元。

进一步地，所述PFC电路包括输入电源、电感L、电感电阻RL、电容C及开关管，所述输入电源正极端、电感L、输入电源负极端依次连接；所述电感电阻RL、电容C及开关管并联设置于所述电感L与输入电源负极端之间；

所述控制器K1用于对所述输入电源两极之间的输入电压数值Vg进行采样；

所述控制器K2用于对所述电感L与输入电源正极端之间电感电流Ig进行采样。

进一步地，所述数据处理模块还包括控制器K3，其用于对所述电感L与输入电源负极端之间的输出电压数值V0进行采样，其输出端连接有第三低通滤波单元以用于求取PFC电路中输出电压的平均值通过获取输出电压数值V0并以第三低通滤波单元求取其平均值以对输出电压的稳定情况进行确认，以用于对系统的测试、验证或对外提供应用。

本发明提出的一种无环路PFC控制电路，运用软件数据处理模块进行占空比运算，以对开关管进行控制，在实现传统PFC功能的基础上，控制过程无任何环路计算，使得实现过程大幅简化，降低了PFC模块的应用难度，实现了较高的PF值。

附图说明

图1为现有技术中PFC控制应用的BOOST电路示意图；

图2为本发明实施例1中系统应用PFC第一控制过程示意图；

图3为本发明实施例1中系统应用PFC第二控制过程示意图

图4为本发明实施例1中电感电流跟随输入电压的状况示意图；

图5为本发明实施例1中输出电压的状况示意图；

图6为本发明实施例1中占空比输出状态示意图；

图7为本发明实施例2中无环路PFC控制电路实现原理示意图；

图8为本发明实施例3中无环路PFC控制电路实现原理示意图。

具体实施方式

为了使本发明的技术方案、目的及其优点更清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的解释说明。

实施例1：

PFC电路的控制目的是要使电感电流Ig的低频波形(50Hz或60Hz)跟随整流后的输入电压波形Vg，同时又要保持输出电压为V0(允许一定纹波)。

故本发明提供一种PFC电路控制方法，其实现原理如下：

当控制电路的控制策略满足了电感电流与输入电压成比例且相位一致，整个变换器可以等效为一个电阻Re；则：

Vg＝Re×Ig (1)

式中：Re为PFC变换器的等效电阻，Ig为电感电流瞬时值，Vg为整流后的半波正弦输入电压瞬时值。

对于BOOST-PFC变换器来说，其输入电压、输出电压和开关管占空比d的关系为：

Vg＝V0(1-d) (2)

式中：V0为母线输出电压，d为占空比。

由上(1)(2)式可得：

Re×Ig＝V0(1-d) (3)

式中

因此由(4)式可得：

而由(5)式进一步得到：

其中为Vg的平均值，为Ig的平均值。

另外我们假设控制电路的控制策略满足输出电压V0能够很好地跟踪上Vref，即：

V0＝Vref (7)

根据(6)式，将(7)代入可得：

优选地，在实际使用过程中，系统的参考电压为一个常数，即固定的一个数值，因此公式(8)可演变成如下公式(9)

其中，Kref＝1/Vref，为一个常数，因此在实施过程中也可以将第二个除法更换成一个乘法，这样可以减少更多的运算时间。

通过上述两种运算方法之一，即可计算得出数值于实际应用中，由于变频空调系统实际所需起作用的是d，因此最后需要加一个反相器对计算所得的数值进行反相，以得出占空比d；本发明的一种PFC电路控制方法，基于所得的占空比d，以控制PFC电路中开关管的状态，使PFC电路中电感电流Ig的低频波形跟随输入电压Vg的波形，并保持输出电压稳定；从而有效实现PFC的控制。

该PFC电路控制方法具有以下有益效果：

所属占空比的计算过程中，通过确立动态求取等效电阻Re的方式，仅利用控制电路中输入电压瞬时值Vg和电感电流瞬时值Ig两个变量，无需电压环路的计算和电流环路的计算，即有效得出占空比d，实现了PFC的整个控制过程。

而在计算过程中，因为变频空调系统的输出电压V0在控制过程中会产生一定的波动，使得系统的稳定时间延长，所以在计算占空比过程中，通过直接引入参考电压值Vref替代V0运算输出或以常数Kref进行运算输出，更有利于系统稳定。

优选地，所述系统参考电压值Vref为330V；该系统参考电压值Vref为变频空调系统所设定的参考电压值，其根据适用场合的不同，而相应选择采用，或常用数值还可应用为350V等。

相应地，该系统的控制过程如图2或图3所示，每个PWM周期运算一次，得到一个占空比，图中为假设第n个周期的运算。

期间，系统的电感电流跟随输入电压的状况如图4所示，输出电压的状况如图5所示，占空比输出状态如图6所示。

实施例2：

如图7所示，一种无环路PFC控制电路，该无环路PFC控制电路采用实施例1的电路控制方法进行控制，所述PFC电路连接有软件数据处理模块2，该软件数据处理模块2包括：

控制器K1，其用于获取PFC电路输入电压的实时数值Vg；其输出端连接有第一低通滤波单元21以用于求取PFC电路中输入电压的平均值

控制器K2，其用于获取PFC电路电感电流的实时数值Ig；其输出端连接有第二低通滤波单元22以用于求取PFC电路中电感电流的平均值

第一除法计算单元31，其输入端分别连接所述第一低通滤波单元21的输出端及第二低通滤波单元22的输出端；

第二除法计算单元32，其输入端连接所述第一除法计算单元31的输出端；

参考值单元，应用为第一参考值单元34，用于获取系统参考电压值Vref，其输出端连接所述第二除法计算单元32的输入端；

乘法计算单元33，其输入端连接所述第二除法计算单元32输出端及控制器K2输出端；

反相器35，其输入端连接所述乘法计算单元33输出端，其输出端连接有开关管1。

实施例3：

如图8所示，实施例3与实施例2的区别在于：所述软件数据处理模块采用第二乘法计算单元321以替换所述第二除法计算单元32，所述第二乘法计算单元321的输入端连接所述第一除法计算单元31的输出端。

参考值单元，应用为第二参考值单元341，用于获取常数Kref，其输出端连接所述第二乘法计算单元321的输入端。

通过第二乘法计算单元321以替换所述第二除法计算单元32，有效减少所述软件数据处理模块的运算时间。

该实施例2、实施例3所示的无环路PFC控制电路具有以下有益效果：

通过相应的软件数据处理模块，有效获取相应PFC电路中所需的各项数据，基于实施例1中所述的PFC电路控制方法，求取出占空比值，以有效控制该PFC控制电路的开关管1状态，实现PFC控制；在实现传统PFC功能的基础上，控制过程无任何环路计算，使得实现过程大幅简化，降低了PFC模块的应用难度，实现了较高的PF值。

优选地，所述PFC电路包括输入电源3、电感L、电感电阻RL、电容C及开关管1，所述输入电源3正极端、电感L、输入电源3负极端依次连接；所述电感电阻RL、电容C及开关管1并联设置于所述电感L与输入电源3负极端之间；

所述控制器K1用于对所述输入电源3两极之间的输入电压数值Vg进行采样；

所述控制器K2用于对所述电感L与输入电源3正极端之间电感电流Ig进行采样。

所述数据处理模块2还包括控制器K3，其用于对所述系统的输出电压数值进行采样，具体而言，可对上述电路的电感L与输入电源3负极端之间的输出电压数值V0进行采样，其输出端连接有第三低通滤波单元23以用于求取PFC电路中输出电压的平均值通过获取输出电压数值V0并以第三低通滤波单元23求取其平均值以便于对输出电压的稳定情况进行确认，以用于对系统的测试、验证或对外提供应用。

通过该优选的控制电路设计，即可简单高效地满足该PFC控制电路运作要求，实现系统的控制。

本发明通过运用BOOST电路控制原理计算出的占空比公式，直接推导出电流跟随输入电压控制开关管的占空比公式，并在此基础上进行PFC控制应用，获得较好的技术效果。

以上所述仅为本发明的优选实施方式，对于本技术领域的技术人员，在不脱离本发明的实施原理前提下，依然可以对所述实施例进行修改，而相应修改方案也应视为本发明的保护范围。