一种基于冲量等效原理的三相有源APFC高频化控制方法

摘要

本发明提出了一种基于冲量等效原理的三相有源APFC高频化控制方法，包括以下步骤：一、获取电网电压幅值、频率和相位信息；二、对三相输入电流作DQ旋转坐标变换；三、获取输出直流电压信息；四、在DQ坐标系下作闭环反馈控制，计算得到三相调制信号；五、对三相调制信号和载波信号乘以相同的比例系数K（K≤1），得到和初始脉冲冲量等效的高频脉冲；六、采用规则采样法计算得到PWM驱动信号驱动主开关管。本发明提出的高频化控制方法适用于所有的PWM变换器，能大幅降低变换器体积和重量，系统工作稳定可靠。

说明书

技术领域

本发明涉及高功率因数整流技术领域，具体涉及一种基于冲量等效原理的三相有源APFC高频化控制方法。

背景技术

随着电力电子技术的发展，大功率PWM斩波式开关电源已经得到了广泛的应用。在当前供电模式中一般采用两级式架构：前级为AC/DC整流电源，给后级提供稳定的直流母线电压；后级为分布式DC/DC电源，给负载提供电能。工程设计中，为了提高电网输入侧的功率因数，降低输入电流的谐波含量，前级整流电源一般采用三相有源APFC技术。

针对三相APFC技术，许多专家学者进行了深入研究。目前，主要采用DSP实现如下控制方法：采样三相输入电流和直流输出电压，对三相输入电流进行DQ旋转坐标系变换，并在DQ坐标系下进行误差调节，得到控制后的有功、无功矢量，再通过坐标逆变换得到三相交流信号。如上所述，三相APFC控制算法需要进行大量的数学运算，受限与DSP的运算速度，其开关频率无法有效提高。

而在有些领域（如军用领域），对体积和重量的要求非常严苛。在开关电源设计中，能有效减小体积、减轻重量的方法是提高开关频率，因此需要一种新型控制方法来实现三相有源APFC的高频化控制。

发明内容

本发明要解决的技术问题：

本发明的目的在于基于当前PWM数字处理器的运算能力，提出一种基于冲量等效原理的三相有源APFC高频化控制方法。通过将单个驱动脉冲转换为多个冲量和相等的驱动脉冲，使得三相有源APFC在不增加任何硬件成本的情况下有效提高驱动频率，从而大幅缩减APFC的体积和重量。

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明提出的一种基于冲量等效原理的三相有源APFC高频化控制方法，其步骤为：

步骤一、获取电网电压的实时频率f、相位φ和幅值；

步骤二、获取三相输入电流，并做三相ABC静止坐标系到两相DQ旋转坐标系变换，提取有功电流Ip和无功电流Iq信息；

步骤三、获取输出电压信息Vdc；

步骤四、将步骤二和步骤三获得的有功电流Ip、无功电流Iq和输出电压Vdc信息在DQ坐标系下做闭环反馈控制，并将步骤一中获取的电网电压信息作为前馈信号引入控制环路，将计算得到DQ坐标系下的指令信号经dq/abc逆变换得到三相交流调制信号信息：Sina、Sinb和Sinc；

步骤五、根据需要的开关频率，将步骤八中计算得到的Sina、Sinb和Sinc信号乘以比例系数K（K≤1）得到三相交流调制信号KSina、KSinb和KSinc，同时将步骤二中的程序计算周期Tc乘以比例系数K作为载波周期KTc；

步骤六、将步骤五中得到的三相交流信号KSin、KSinb、KSinc和载波比较计算产生驱动脉宽，用以驱动三相有源APFC主开关管。

更进一步地，步骤五中所述比例系数具体阐述如下：

1、当K=1时，载波周期和程序计算周期同步，程序计算周期即为开关周期；

2、当K＜1时，三相交流调制信号衰减，载波周期同比例衰减，开关频率提升；

3、当K=1时，步骤四中Sina、Sinb、Sinc和载波Tc产生的脉冲冲量σ1和步骤六中产生的脉冲冲量σ2相等；

4、当K＜1时，步骤六单个脉冲冲量σ2小于步骤四中单个脉冲冲量σ1，根据冲量等效原理，通过合理设置Tc值和K值，能够使得在Tc时间段内，满足等式σ1=K×σ2，即在Tc内单个脉冲的冲量等于K个脉冲冲量之和。

综上所述，采用本发明提出的控制方法，在提高开关频率的同时能够保证三相有源APFC能量传输不变，即能够实现三相有源APFC的高频化控制。

更进一步地，步骤六中采用规则采样法，快速比较计算得到三相上下互补的驱动脉宽信号Sa、Sb和Sc，实现基于冲量等效原理的等效高频开关驱动。

有益效果：

采用本发明提供的技术方案，与已有公知技术相比，具有如下显著效果：

（1）本发明提出的一种基于冲量等效原理的三相有源APFC高频化控制方法在不增加硬件成本的情况下有效提高了驱动频率，大幅减小了输入PFC电感的感量，使得电源整体的体积减小，重量下降，极大的提高了电源的功率密度，尤其适用于对体积重量要求严苛的军用领域；

（2）本发明提出的一种基于冲量等效原理的三相有源APFC高频化控制方法易于按工程实际需求修改开关频率，实现了控制算法的柔性化，方便电源系统的调试开发，缩短工程周期。

附图说明

构成本发明的一部分附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明中三相有源APFC拓扑结构示意图；

图2为三相静止坐标系到两相旋转坐标系的转换坐标图

图3为本实施实例中应用的三相电网电压锁相环控制原理框图

图4为本发明提出的基于脉冲等效原理的APFC控制框图；

图5为本发明提出的基于脉冲等效原理工作示意图；

图6为本发明提出的控制方法流程示意图。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图和实例对本发明做详细描述。

本发明提出一种基于冲量等效原理的三相有源APFC高频化控制方法，结合图1，本发明所述的三相有源APFC电源系统包括：三相PFC电感1、MOSFET三相整流桥2、DSP核心系统及控制驱动电路3、浪涌电流抑制单元4和输出电容5；所述的MOSFET三相整流桥2通过三相PFC电感1接入电网；MOSFET三相整流桥2的输出正端接输出电容5的正端；MOSFET三相整流桥2的输出负端和输出电容5的负端通过浪涌电流抑制单元串联形成回路；所述的三相PFC电感1的串联线路中含有交流电流采样电路，输出电容5的两端含有直流电压采样电路，浪涌电流抑制单元4的串联线路中含有直流电流采样电路；所述的传感器信号和DSP核心系统及控制电路3相连接，通过计算产生PWM信号驱动MOSFET三相整流桥2。

本发明提出的一种基于冲量等效原理的三相有源APFC高频化控制方法，是本发明人在对模块化APFC技术研究中发明的一种新的控制方法。发明人指出，三相有源APFC的计算较为复杂，在现有数字控制芯片的运算能力下，难以有效提高三相有源APFC的开关频率，在一些对体积和重量要求严苛的应用场合，常用的开关频率范围不能减小APFC电源系统的体积和重量。因此，本发明人结合理论知识和实践经验，将PWM产生的机理即冲量等效原理创新的应用到单个PWM脉冲周期中，有效的实现了用冲量面积和相等的多个驱动脉冲取代原有的单个驱动，在不增加任何硬件成本和空间的情况下，完成了三相有源APFC的高频化控制。

下面对本发明提出的一种基于冲量等效原理的三相有源APFC高频化控制方法的实施过程进行具体阐述：

步骤一、获取电网电压的实时频率f、相位φ和幅值信息；

稳态情况下，图1中浪涌电流抑制单元4处于常闭状态，通过交流电压采样电路将三相电网电压送至DSP核心系统及控制驱动电路3中，对三相电网电压Ua、Ub、Uc进行abc/dq变换，三相静止坐标系到两相旋转坐标系的转换示意图请参考图2，转换矩阵如式1所示：

在dq坐标系下完成SPLL算法，得到电网电压的时候频率f、相位φ和幅值信息，图3为本实例实施的锁相控制框图。

步骤二、获取三相输入电流，并做三相ABC静止坐标系到两相DQ旋转坐标系变换，提取有功电流Ip和无功电流Iq信息；

通过交流电流采样电路将三相输入电流送至DSP核心系统及控制驱动电路3中，根据步骤一中获取的电网电压相位，对三相输入电流进行abc/dq变换，获取DQ旋转坐标系下的有功电流Ip和无功电流Iq信息。

步骤三、获取输出电压信息Vdc；

通过直流电压采样电路，将输出电压信息送至DSP核心系统及控制驱动电路3中。

步骤四、将步骤二和步骤三获得的有功电流Ip、无功电流Iq和输出电压Vdc信息在DQ坐标系下做闭环反馈控制，并将步骤一中获取的电网电压信息作为前馈信号引入控制环路，将计算得到DQ坐标系下的指令信号经dq/abc逆变换得到三相交流调制信号信息：Sina、Sinb和Sinc；

本实施案例中的闭环反馈原理框图如图4所示，三相输入电流解耦成有功电流分量和无功电流分量，电压外环的误差调节输出作为电流内环有功电流的给定分量，电流内环的误差调节输出叠加电网电压前馈信号进过dq/abc变换得到三相交流调制信号，所述的dq/abc变换矩阵如式2所示：

经过上述步骤，即可得到三相交流调制信号，目前已有的公知技术文献中均以此信号作为调制信号和载波比较产生PWM驱动脉冲。

步骤五、根据需要的开关频率，将步骤八中计算得到的Sina、Sinb和Sinc信号乘以比例系数K（K≤1）得到三相交流调制信号KSina、KSinb和KSinc，同时将步骤二中的程序计算周期Tc乘以比例系数K作为载波周期KTc；

由步骤四产生的PWM驱动脉冲，根据需要的开关频率，按照相同比例缩小调制信号和载波信号后在一个周期T内产生的PWM脉冲冲量之和等于初始的PWM脉冲冲量，请参考图5所示以K取0.5为例分析，利用平行线分段成比例定理，很容易推导出T2等于T3，且T2和T3之和等于T1，根据冲量等效原理，可以得出在一个周期T内，由T1驱动脉冲产生的冲量σ1等于由T2驱动产生冲量σ2和T3驱动产生冲量σ2之和。如上所述，可以推导出在周期T内采用T2和T3驱动脉冲传递的能量和T1驱动脉冲传递的能量一致，由此实现了三相有源APFC的高频化控制。

上述以K取0.5分析只是为了便于理解本发明提出的控制方案，并不限定本发明的保护范围。相同的，本发明方案提出的基于冲量等效原理的高频化控制方案，是一种在不增加硬件成本和空间情况下实现高频化控制的一种新方法，该方法不仅仅适用于三相有源APFC范畴，作为相关专业的普通设计师，在不付出创造性劳动的前提下，很容易将本发明提出的控制方案应用到其他PWM变换器上，凡是应用本发明提出的控制方法来实现PWM变换器的高频化控制都应视作本发明的保护范围。

步骤六、将步骤五中得到的三相交流信号KSin、KSinb、KSinc和载波比较计算产生驱动脉宽，用以驱动三相有源APFC主开关管；

DSP核心系统及控制驱动电路3中，通过规则采样法，将三相调制波和载波比较产生三相PWM驱动，经过驱动电路隔离放大后驱动三相有源APFC主开关管，实现电能转换功能。所述的步骤一至步骤六的工作示意图请参考图6，图6所示为本实施实例中控制过程示意图。