專利名稱：一種快速瞬態響應的數字功率因數變換器及其控制方法
技術領域：
本發明涉及數字功率因數變換器，尤其涉及一種快速瞬態響應的數字功率因數變換器及其控制方法，該變換器能夠有效提高功率因數值接近于1，并能夠克服數字變換器的時延效應，提高變換器的瞬態響應性能。
背景技術：
開關變換器等電力電子裝置已經廣泛應用于電力系統、工業、交通以及家庭等領域，由此產生的電網側輸入功率因數降低和諧波污染等問題也日趨嚴重。為了減小諧波污染，保證電網供電質量，提高開關變換器輸入端的功率因數，達到節能效果，必須對開關變換器電力電子裝置進行功率因數校正。相對與傳統模擬功率因數校正變換器，數字校正變換器可以優化控制策略，提高集成度與可靠性，對環境變化具有更強的抗干擾性。校正開關變換器需要在輸入電壓域范圍內功率因數值都能保持在一個接近I的范圍內從而降低諧波污染和能量損耗。而且數字變換器的控制環路中存在數據的采樣、量化、數據處理、算法補償、DPWM生成等步驟，環路時延是數字控制系統中的固有缺陷，這也影響了數字功率因數校正變換器的瞬態響應性能。

發明內容
為了提高數字功率因數開關變換器的功率因數值和瞬態響應性能，本發明提供了一種快速瞬態響應的數字功率因數變換器及其控制方法，設置預測控制單元可以解決數字控制環路中存在的時延問題，而占空比修正單元則根據輸入電壓的實時變化動態修正調節占空比值，可有效提高變換器的功率因數值和瞬態響應性能。本發明采取的技術方案如下一種快速瞬態響應的數字功率因數變換器，其特性在于設有EMI濾波器、整流電路、Boost型變換器功率級主拓撲結構、兩個分壓單元、三個A/D采樣轉換單元、預測控制單元、PID控制單元、占空比修正單元和數字脈沖調制器；輸入交流電壓AC連接EMI濾波器的輸入端，交流電壓AC—端接地，EMI濾波器的輸出端與整流電路的輸入端連接；第二分壓單元的輸入端連接在整流電路的輸出端上，也是Boost型變換器功率級主拓撲結構的輸入端，由兩個分壓電阻&和R4串聯構成，電阻R3與R4的串接端連接第一 A/D采樣轉換單元的輸入端，電阻R3的另一端連接整流電路的一個輸出端，電阻R4的另一端連接整流電路的另一個輸出端；Boost型變換器功率級主拓撲結構包括電感L、MOS管Q、二極管D、電容C和輸出負載電阻R，電感L的一端連接整流電路與電阻R3連接的那個輸出端，電感L的另一端連接MOS管Q的漏極和二極管D的正端,二極管D的負端與電容C的一端、輸出負載電阻R的一端連接在一起，電容C的另一端、輸出負載電阻R的另一端、MOS管Q的源極共同連接整流電路與電阻R4連接的那個輸出端；
第一分壓單元的輸入端與主拓撲的輸出端連接，由兩個分壓電阻R1和R2串聯構成，電阻R1與R2的串接端連接第三A/D采樣轉換單元的輸入端，電阻R1的另一端連接主拓撲結構中二極管D的負端，電阻R2的另一端與MOS管Q的源極以及第二 A/D采樣轉換單元的輸入端連接在一起；第一、第二、第三A/D采樣轉換單元的輸出端分別連接預測控制單元的三個輸入端，預測控制單元的輸出信號和參考電壓信號VMf共同輸入到比較器，比較器分別輸出電壓誤差信號和輸出電壓誤差偏差信號至PID控制單元，第一 A/D采樣轉換單元的輸出信號還連接占空比修正單元輸入端，占空比修正單元的輸出信號與PID控制單元的輸出信號經乘法器相乘后連接數字脈沖調制器的輸入端，數字脈沖調制器的輸出端連接主拓撲結構中MOS管Q的柵極。上述數字功率因數變換器的控制方法，其特征在于:第一、第二、第三A/D采樣轉換單元分別采樣數字功率因數變換器的模擬輸入電壓值Vin[t]、模擬電感電流值ijt]和模擬輸出電壓值VJt]，分別經過AD轉換得到相應的數字輸入電壓值Vin[k]、數字電感電流值ijk]和數字離散輸出電壓值VJk]，將數字輸入電壓值Vin[k]、數字電感電流值ij]和數字離散輸出電壓值VJk]共同輸入至預測控制單元，預測控制單元執行預測控制算法預測計算下周期的輸出電壓值Vjk+1]，將預測單元的輸出信號Vjk+Ι]與參考電壓信號Vref作比較，得到輸出電壓誤差信號e[k+l]和輸出電壓誤差偏差信號Ae[k+1]，將電壓誤差信號e[k+l]和電壓誤差偏差信號Ae[k+1]作為PID控制單元的輸入信號，PID控制單元執行PID控制算法，其輸出信號為d[k]，占空比修正單元的輸入信號為Vin[k]，占空比修正單元執行占空比修正算法，其輸出為修正參數信號K，PID控制單元輸出信號d[k]與修正參數信號K做乘積運算獲得修正信號SM，數字脈沖調制器的輸入信號為修正信號數字脈沖調制器輸出相應的占空比信號，與主拓撲結構的MOS管柵極連接，控制MOS管的開關狀態；具體方法是:I)在第k個開關周期的初始，分別采樣變換器的模擬輸出電壓值VJt]、模擬電感電流值Ut]和模擬 輸入電壓值Vin[t]、經過AD轉換得到相應的數字離散輸出電壓值V。[k]、電感電流值Uk]和輸入電壓值Vin [k]；2)第k周期數字離散輸出電壓值VJk]、輸入電壓值Vin[k]、電感電流值Uk]作為預測控制單元的輸入信號，根據Boost型變換器主拓撲結構所內在的輸出電壓與電感電流關系，插入η個插值點作迭代運算，預測求得第k+Ι周期的數字離散輸出電壓值Vjk+1]和電感電流值iL[k+l]；3)預測的數字輸出電壓值Vjk+Ι]與參考電壓值Vref作比較得到輸出電壓誤差值e[k+l]和輸出電壓誤差偏差值Λ e[k+l]，這樣下一開關周期的誤差值e和誤差偏差值Ae提前被應用輸入到PID控制單元，從而降低數字系統環路時延的影響；4)PID控制單元根據提前預測的e[k+l]和Ae[k+1]值，控制輸出占空比信號d[k]，以穩定變換器的輸出電壓值；5)占空比修正單元根據第一 A/D采樣轉換單元所離散化的輸入電壓值Vin[k]，獲
得占空比修正參數K為，'卜--T1-，將修正參數K與PID輸出占空比信號d[k]相乘得~
VVr4d[k],
修正PID輸出占空比信從而提高功率因數變換器的功率因數值；
6)數字脈沖調制器根據修正輸出占空比值i M輸出相應的PWM信號，驅動變換器的功率管的開關狀態，從而調節變換器的輸出電壓；7)數字功率因數變換器的輸出電壓、電感電流和輸入電壓經第一、第二、第三A/D采樣轉換單元再次采樣轉換，經過預測控制單元、PID控制單元、占空比修正單元、數字脈沖調制器形成新的PWM信號控制MOS功率開關管，循環控制直至數字功率因數變換器輸出電壓值與參考電壓值—致。本發明的優點及有益成果:I)本發明通過預測控制單元有效補償數字功率因數校正變換器的數字控制環路中存在的時延問題，降低由于時延效應所引起的控制滯后，提聞變換器瞬態響應能力；2)本發明通過占空比修正，根據輸入電壓的實時值輸出占空比修正值，改變開關周期內的電感電流變換情況，從而提高校正變換器的功率因數值，降低電網輸入端的能量損耗；3)本發明總體性能優越，且具有可擴展性和可移植性，可以與新的控制策略集成應用，進一步提高校正變換器的性能；4)本發明采用數字控制實現方式，相對于模擬控制更為靈活，設計更為簡單。


圖1是DCM模式功率因數校正變換器的電感電流波形示意圖；圖2是本發明具有高功率因數快速瞬態響應的數字功率因數校正變換器整體圖；圖3是有/無占空比修正控制方法的功率因數校正變換器的功率因數(PF)值；
具體實施例方式圖1所不為DCM模式(Discontinuous Current Mode)功率因數校正變換器的電感電流波形，在開關管導通期間，電感兩端電壓值為Vin，電感電流以性上升斜率由零電流上升至i“pk)，上升時間為djs，在開關管關斷期間，電感兩端電壓值為vin-v。，電感電流以^^線性下降斜率由i“pk)下降至零電流，下降時間為d2Ts，在d3Ts時間段期間，電感電流保持為零電流狀態。本發明具有高功率因數快速瞬態響應的數字功率因數變換器整體圖如圖2所示，包括EMI濾波器、二極管整流電路、Boost型變換器功率級主拓撲結構、第一、第二分壓單元、第一、第二、第三A/D采樣轉換單元、預測控制單元、PID控制單元、占空比修正單元、數字脈沖調制器(DPWM)，數字控制環路與Boost變換器功率級主拓撲結構構成閉環系統。
EMI濾波器與輸入電壓AC端連接，其輸出端與二極管整流電路輸入端相連，二極管整流電路的輸出端與Boost型變換器功率級主拓撲結構的輸入端連接，Boost型變換器功率級主拓撲結構包括電感L、M0S管Q、二極管D、電容C和輸出負載電阻R，MOS管與數字脈沖調制器單元連接，分壓單元一由分壓電阻R1和民串聯組成，其輸入端與主拓撲的輸出端連接，輸出端與AD轉換單元三輸入端連接，分壓單元二由分壓電阻R3和R4串聯組成，其輸入端與主拓撲的輸入端連接，輸出端與AD轉換單元一輸入端連接，AD轉換單元一的輸入信號為vin[t]，AD轉換單元一的輸出端與修正單元輸入端連接，AD轉換單元二的輸入信號為電感電流值ijt]，其輸出端與預測單元的輸入端連接，AD轉換單元三的輸入信號為輸出電壓值VJt]，其輸出端亦與預測單元的輸入端連接，預測單元根據輸入信號VJk]、iL[k]、Vin[k]執行預測控制算法預測計算下周期的輸出電壓值V。[k+1]，預測單元的輸出端輸出信號Vjk+Ι]與參考電壓信號VMf作比較得到輸出電壓誤差信號e [k+Ι]和輸出電壓誤差偏差信號Ae[k+1]，PID控制單元的輸入信號分別為e [k+Ι]和Λ e [k+Ι]，執行PID控制算法，其輸出端的輸出信號為d[k]，修正單元的輸入信號為Vin[k]，執行占空比修正算法，其輸出端的輸出信號為修正參數信號K，信號d[k]和K做乘積運算獲得修正信號J μ],數字脈沖調制器的輸入信號為修正信號輸出相應的占空比信號，與主拓撲結構的MOS管連接，控制MOS管的開關狀態。數字控制環路的控制原理如下:功率因數變換器的模擬輸出電壓和模擬輸入電壓分別經過分壓網絡，再經過AD采樣轉換單元轉換成相應的離散數字信號，而電感電流值直接經過AD采樣轉換單元轉換成其對應的離散數字信號；輸出電壓、輸入電壓和電感電流的離散數字信號作為預測控制單元的輸入信號，由于采樣及轉換過程的存在，存在一定的時延，此為數字控制環路整體時延的一部分，控制環路時延對變換器系統的瞬態響應性能產生影響；預測控制單元根據采樣轉換輸出的數字輸出電壓值、輸入電壓值和電感電流值，根據Boost型開關變換器的主拓撲結構，分析連續域情況下輸出電壓、電感電流和電容電流等之間的邏輯關系，采用多次迭代運算，預測出下一開關周期輸出電壓值，提前將下周期輸出電壓值輸出到PID控制單元；下周期的輸出電壓值與參考電壓值比較得到輸出電壓誤差值和輸出電壓誤差偏差值，PID控制單兀根據輸出電壓和輸出電壓誤差偏差值，執行相應PID控制算法，輸出相應的占空比值；占空比修正單元根據A/D采樣轉換單元所離散化的輸入電壓值獲得占空比修正參數，修正參數與PID輸出占空比值相乘得修正占空比值，所得修正占空比值經過DPWM單元輸出PWM控制信號驅動開管變換器的功率管的開關狀態來不斷調節輸出電壓值和電感電流變化趨勢。數字開關變換器的具體控制方法是::I)在第k個開關周期的初始，分別采樣變換器的模擬輸出電壓、模擬電感電流值和模擬輸入電壓值，經過AD轉換得到相應的數字離散輸出電壓值VJk]、電感電流值i Jk]和輸入電壓值Vin [k]；2)第k周期數字離散輸出電壓值VJk]、輸入電壓值Vin[k]、電感電流值Uk]作為預測控制單元的輸入信號，根據Boost型變換器主拓撲結構所內在的輸出電壓與電感電流關系，插入η個插值點作迭代運算，預測求得第k+Ι周期的數字離散輸出電壓值Vjk+1]和電感電流值iL[k+l]；3)預測的數字輸出電壓值Vjk+Ι]與參考電壓值Vref作比較得到輸出電壓誤差值e[k+l]和輸出電壓誤差偏差值Ae [k+Ι]，這樣下一開關周期的誤差值e和誤差偏差值Ae提前被應用輸入到PID控制單元， 從而降低數字系統環路時延的影響；4)PID控制單元根據提前預測的e[k+l]和Ae[k+1]值，控制輸出占空比信號d[k]，以穩定變換器的輸出電壓值；5)占空比修正單元根據A/D采樣轉換單元所離散化的輸入電壓值Vin[k]，獲得占空比修正參數
權利要求
1.一種快速瞬態響應的數字功率因數變換器，其特性在于:設有EMI濾波器、整流電路、Boost型變換器功率級主拓撲結構、兩個分壓單元、三個A/D采樣轉換單元、預測控制單元、PID控制單元、占空比修正單元和數字脈沖調制器； 輸入交流電壓AC連接EMI濾波器的輸入端，交流電壓AC —端接地，EMI濾波器的輸出端與整流電路的輸入端連接； 第二分壓單元的輸入端連接在整流電路的輸出端上，也是Boost型變換器功率級主拓撲結構的輸入端，由兩個分壓電阻R3和R4串聯構成，電阻R3與R4的串接端連接第一 A/D采樣轉換單元的輸入端，電阻R3的另一端連接整流電路的一個輸出端，電阻R4的另一端連接整流電路的另一個輸出端； Boost型變換器功率級主拓撲結構包括電感L、MOS管Q、二極管D、電容C和輸出負載電阻R，電感L的一端連接整流電路與電阻R3連接的那個輸出端，電感L的另一端連接MOS管Q的漏極和二極管D的正端,二極管D的負端與電容C的一端、輸出負載電阻R的一端連接在一起，電容C的另一端、輸出負載電阻R的另一端、MOS管Q的源極共同連接整流電路與電阻R4連接的那個輸出端； 第一分壓單元的輸入端與主拓撲的輸出端連接，由兩個分壓電阻R1和R2串聯構成，電阻R1與R2的串接端連接第三A/D采樣轉換單元的輸入端，電阻R1的另一端連接主拓撲結構中二極管D的負端，電阻R2的另一端與MOS管Q的源極以及第二 A/D采樣轉換單元的輸入端連接在一起； 第一、第二、第三A/D采樣轉換單元的輸出端分別連接預測控制單元的三個輸入端，預測控制單元的輸出信號和參考電壓信號VMf共同輸入到比較器，比較器分別輸出電壓誤差信號和輸出電壓誤差偏差信號至PID控制單元，第一 A/D采樣轉換單元的輸出信號還連接占空比修正單元輸入端，占空比修正單元的輸出信號與PID控制單元的輸出信號經乘法器相乘后連接數字脈沖調制器的輸入端，數字脈沖調制器的輸出端連接主拓撲結構中MOS管Q的柵極。
2.根據權利要求1所述數字功率因數變換器的控制方法，其特征在于:第一、第二、第三A/D采樣轉換單元分別采樣數字功率因數變換器的模擬輸入電壓值Vin[t]、模擬電感電流值ijt]和模擬輸出電壓值Vjt]，分別經過AD轉換得到相應的數字輸入電壓值Vin[k]、數字電感電流值k [k]和數字離散輸出電壓值VJ]，將數字輸入電壓值Vin [k]、數字電感電流值ijk]和數字離散輸出電壓值VJk]共同輸入至預測控制單元，預測控制單元執行預測控制算法預測計算下周期的輸出電壓值Vjk+Ι]，將預測單元的輸出信號Vjk+Ι]與參考電壓信號Vref作比較，得到輸出電壓誤差信號e[k+l]和輸出電壓誤差偏差信號Ae[k+1]，將電壓誤差信號e[k+l]和電壓誤差偏差信號Ae[k+1]作為PID控制單元的輸入信號，PID控制單元執行PID控制算法，其輸出信號為d[k]，占空比修正單元的輸入信號為Vin[k]，占空比修正單元執行占空比修正算法，其輸出為修正參數信號K，PID控制單元輸出信號d[k]與修正參數信號K做乘積運算獲得修正信號J閔，數字脈沖調制器的輸入信號為修正信號d [幻，數字脈沖調制器輸出相應的占空比信號，與主拓撲結構的MOS管柵極連接，控制MOS管的開關狀態；具體方法是: I)在第k個開關周期的初始，分別采樣變換器的模擬輸出電壓值VJt]、模擬電感電流值i Jt]和模擬輸入電壓值Vin[t]、經過AD轉換得到相應的數字離散輸出電壓值VJk]、電感電流值Uk]和輸入電壓值Vin [k]； 2)第k周期數字離散輸出電壓值VJk]、輸入電壓值Vin[k]、電感電流值ijk]作為預測控制單元的輸入信號，根據Boost型變換器主拓撲結構所內在的輸出電壓與電感電流關系，插入η個插值點作迭代運算，預測求得第k+Ι周期的數字離散輸出電壓值Vjk+Ι]和電感電流值ijk+l]； 3)預測的數字輸出電壓值Vjk+1]與參考電壓值VMf作比較得到輸出電壓誤差值e[k+l]和輸出電壓誤差偏差值Λ e[k+l]，這樣下一開關周期的誤差值e和誤差偏差值Ae提前被應用輸入到PID控制單元，從而降低數字系統環路時延的影響； 4)PID控制單元根據提前預測的e[k+l]和Ae[k+1]值，控制輸出占空比信號d[k]，以穩定變換器的輸出電壓值； 5)占空比修正單元根據第一A/D采樣轉換單元所離散化的輸入電壓值Vin[k]，獲得占空比修正參數K為
全文摘要
一種快速瞬態響應的數字功率因數變換器，設有EMI濾波器、整流電路、Boost型變換器功率級主拓撲結構、兩個分壓單元、三個A/D采樣轉換單元、預測控制單元、PID控制單元、占空比修正單元和數字脈沖調制器，交流電壓AC連接EMI濾波器的輸入端，EMI濾波器的輸出端與整流電路的輸入端連接，第二分壓單元的輸入端連接整流電路的輸出端也是主拓撲結構的輸入端，第一分壓單元的輸入端與主拓撲的輸出端連接，三個A/D采樣轉換單元的輸出端分別連接預測控制單元，輸出信號和參考電壓信號Vref比較后輸出電壓誤差信號和輸出電壓誤差偏差信號至PID控制單元，占空比修正單元的輸出信號與PID控制單元的輸出信號相乘后連接數字脈沖調制器，數字脈沖調制器的輸出端連接主拓撲結構中MOS管Q的柵極。
文檔編號H02M7/217GK103078530SQ201210589729
公開日2013年5月1日 申請日期2012年12月29日 優先權日2012年12月29日
發明者孫偉鋒, 孫大鷹, 程松林, 宋慧濱, 王青, 徐申, 陸生禮, 時龍興 申請人:東南大學