应用于图腾柱式无桥PFC拓扑复用自适应功率解耦控制方法技术

本发明专利技术属于电力工业领域，旨在提供一种应用于图腾柱式无桥PFC拓扑复用自适应功率解耦控制方法。该方法包括：在每一个控制周期内控制器检测当前电路状态，并根据电路状态和外部传输或内部预设的参考信号产生电路控制信号，保证电路稳定运行在正常PFC工作状态；检测母线电压并传送至控制器，由其计算得到解耦电压参考值用于控制与解耦支路构成Buck电路的被复用桥臂中的开关管动作，将母线侧承受的纹波转移到解耦电容C2上。本发明专利技术的控制方法兼顾了功率解耦和功率因数校正功能，在没有增加多余有源器件和传感器的条件下实现了母线电容容值的减小；可以减小器件成本，提高整机功率密度。可快速响应参考信号变化，自适应控制电路运行以实现功率解耦功能。

Adaptive Power Decoupling Control Method for Bridgeless PFC Topology Multiplexing Applied to Totem Column

【技术实现步骤摘要】
应用于图腾柱式无桥PFC拓扑复用自适应功率解耦控制方法
本专利技术属于电力工业领域，具体涉及一种应用于图腾柱式无桥PFC拓扑复用的自适应功率解耦控制方法。该方法涉及图腾柱式无桥PFC电路的运行模式控制，特别涉及了针对该电路母线处电容大无法实现高功率密度的技术难题提出了相应的优化策略，适用于拓扑复用、能量双向流动、输入输出的电能质量控制等多个应用场合。
技术介绍
电力电子装置在电力系统、工业、交通和家庭中的广泛使用，在造福人类的同时也带来了谐波污染问题。为了提高电网供电质量、抑制谐波污染，功率校正因数校正(PFC)技术应运而生。传统的有源PFC技术通常需要一个整流桥接在电压输入端来获取正弦波绝对值信号作为电流基准。为进一步提升PFC电路效率，业界和学术界提出了多种无桥PFC拓扑，通过去除输入端的整流桥来达到减小导通损耗的目的。其中图腾柱无桥PFC拓扑元器件就其数量少、共模噪声低的特点，具有很好的应用前景。与此同时，与电网侧相连的AC/DC电路除了需要实现功率因素为1的功能(正向用作功率因素校正，反向用作并网逆变)，其交流侧功率含有较大的二倍工频分量，因此在双向AC/DC电路与双向DC/DC电路之间需要大的储能电容进行功率解耦。大容量电解电容的存在，不仅限制了系统成本的降低和功率密度的提高，同时电解电容作为影响寿命的主要元件，对AC/DC变换器的可靠性有着极为关键的影响。因此，功率解耦技术近年来一直是多个领域的的热点研究问题。目前PFC技术的现有研究工作中，大多数都是针对单一的电路拓扑与控制策略展开，以改进系统的性能和控制方法。所采用的研究思路也主要是对某一级电路在单一方向下的工作进行优化，或是通过附加额外的电路与控制来实现功能拓展。按此思路获得的技术方案通常存在导致成本增加，与如今高功率应用场合相违背。本专利技术旨在不加任何额外有源器件及传感器成本的基础上实现功率解耦，提高变换器的使用寿命，降低无源元件成本。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种应用于图腾柱式无桥PFC拓扑复用自适应功率解耦控制方法。为解决技术问题，本专利技术的解决方案是：本专利技术提供了一种应用于图腾柱式无桥PFC拓扑复用自适应功率解耦控制电路，包括设于单级式AC/DC变化器或双级式双向AC/DC变化器中的图腾柱式无桥PFC电路，由升压电感L1、四个开关管S1～4和母线电容Cbus组成；在网侧电压vg的阴极侧与图腾柱式无桥PFC电路的桥臂之间接入一个由解耦电容C2和解耦电感L2串联而成的解耦支路，该解耦支路还接至整机地；开关管S1～4组成无桥BoostPFC拓扑，其中一个桥臂的开关管S1～2充当PFC桥臂，工作在开关频率下用于实现PFC功能；另一个桥臂的开关管S3～4充当工频管，同时被复用与所述解耦支路构成Buck电路，其开关动作能够将原来由母线电容Cbus承受的电压纹波转移到解耦电容C2之上，解耦电感L2则用于能量缓冲；各开关管与控制器通过信号线连接，由后者产生电路信号控制各桥臂中的开关管动作。本专利技术进一步提供了基于前述自适应功率解耦控制电路的解耦控制实现方法，包括以下步骤：(1)在每一个控制周期内，控制器检测当前电路状态，并根据电路状态和外部传输或内部预设的参考信号产生电路控制信号，保证电路稳定运行在正常PFC工作状态；(2)检测母线电压并传送至控制器，由其计算得到解耦电压参考值用于控制与解耦支路构成Buck电路的被复用桥臂中的开关管动作，将母线侧承受的纹波转移到解耦电容C2上。本专利技术中，当负载发生变化时，控制器根据负载功率变化情况进行自适应解耦功率控制，以保证传输到解耦支路的母线电压纹波不变，从而实现精确解耦；具体包括：控制器比较当前控制周期的母线电压vdc与母线电压参考值vdc*：当vdc大于vdc*时，(vdc*-vdc)sin(2ωt)恒小于0；当νdc小于vdc*时，(vdc*-vdc)sin(2ωt)恒大于0；当vdc等于vdc*时，(vdc*-vdc)sin(2ωt)等于0；在此基础上引入PI补偿环节以准确跟踪参考解耦电压波动基准Vref_ripple，即能实现电压波动的无静差输出，保证得到精准解耦效果。本专利技术中，所述控制器中包括：采样单元，对来自电网的输入电压、输入电流以及母线电压进行采样；锁相单元，对网侧电压进行锁相，从而得到网侧电压的相位；乘法单元，将母线电压波动值与锁相单元变换的结果相乘，经补偿网络得到参考解耦电压波动基准Vref_ripple；以及解耦电压计算单元，根据乘法单元得到的参考解耦电压波动来计算最终解耦电容电压的开环参考vref_c。本专利技术中，所述外部传输或内部预设的参考信号是指：网侧输入电压、网侧输入电流、母线侧输出电压和参考解耦电压波动状态的目标值。本专利技术中，控制器通过有线或无线通信方式获得所述外部传输或内部预设的参考信号；有线通信方式是指CAN、光纤或以太网通信方式，无线通信方式是指WiFi、ZigBee、蓝牙或红外通信方式。专利技术原理描述：本专利技术结合拓扑复用的概念，从系统研充的角度出发，在关注AC/DC变换器在运行时的工作机理的同时，尝试利用闲置的电路来实现功率解耦方面的功能拓展与性能优化。通过合理的设计使其加入到电路的工作中，从而通过拓扑复用的理论研究来实现单方向电路或者单级式结构运行中所不具备的功能。由于变换器本身就具有双向功率流动的软硬件配置要求，因此基本可以保证这种复用不会增加系统软硬件成本，但却能使系统的功能、性能得到明显的改善。所述的控制方法通过母线电压侧波动进行修正，保证功率变化时参考解耦波动的准确跟踪，不需要额外添加有源器件及采样电路。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：(1)本专利技术的控制方法兼顾了功率解耦和功率因数校正功能，在没有增加多余有源器件和传感器的条件下实现了母线电容容值的减小；可以减小器件成本，提高整机功率密度。(2)本专利技术在每一个控制周期内，PFC控制与解耦控制同时进行，互相独立且互相牵制，既保证了原有PFC功能，又能在不添加有源器件和传感器的基础上减小母线电容容值，实现功率解耦。(3)无论是对于通信传输得到的外部参考信号，还是对于控制器内部预设的参考信号，本专利技术的控制方法均可以快速响应参考信号的变化，自适应控制AC/DC电路的电路运行状态，实现功率解耦的功能。(4)本专利技术的控制方法同样适用于该拓扑的逆变模式，即不影响原本AC/DC电路双向工作的性能(正向用作功率因素校正，反向用作并网逆变)，可以实现能量的双向流动。附图说明图1是本专利技术中所提及的图腾柱式无桥PFC变换器解耦拓扑及其控制器示意图。图2是本专利技术中所提及的图腾柱式无桥PFC变换器自适应功率解耦控制算法的流程图。具体实施方式下面结合附图，对本专利技术的具体实现方式进行描述。本专利技术所述应用于图腾柱式无桥PFC拓扑复用自适应功率解耦控制电路，包括设于单级式AC/DC变化器或双级式双向AC/DC变化器中的图腾柱式无桥PFC电路，由升压电感L1、四个开关管S1～4和母线电容Cbus组成(双级式结构虽然器件数量较多，但弥补了单级式结构控制复杂、隔离困难、电池连接处电容大等的缺点，是现在主流的拓扑结构)。在网侧电压vg的阴极侧与图腾柱式无桥PFC电路的桥臂之间接入一个由解耦电容C2和解耦电感本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种应用于图腾柱式无桥PFC拓扑复用自适应功率解耦控制电路，包括设于单级式AC/DC变化器或双级式双向AC/DC变化器中的图腾柱式无桥PFC电路，由升压电感L1、四个开关管S1～4和母线电容Cbus组成；其特征在于：在网侧电压vg的阴极侧与图腾柱式无桥PFC电路的桥臂之间接入一个由解耦电容C2和解耦电感L2串联而成的解耦支路，该解耦支路还接至整机地；开关管S1～4组成无桥Boost PFC拓扑，其中一个桥臂的开关管S1～2充当PFC桥臂，工作在开关频率下用于实现PFC功能；另一个桥臂的开关管S3～4充当工频管，同时被复用与所述解耦支路构成Buck电路，其开关动作能够将原来由母线电容Cbus承受的电压纹波转移到解耦电容C2之上，解耦电感L2则用于能量缓冲；各开关管与控制器通过信号线连接，由后者产生电路信号控制各桥臂中的开关管动作。

【技术特征摘要】
1.一种应用于图腾柱式无桥PFC拓扑复用自适应功率解耦控制电路，包括设于单级式AC/DC变化器或双级式双向AC/DC变化器中的图腾柱式无桥PFC电路，由升压电感L1、四个开关管S1～4和母线电容Cbus组成；其特征在于：在网侧电压vg的阴极侧与图腾柱式无桥PFC电路的桥臂之间接入一个由解耦电容C2和解耦电感L2串联而成的解耦支路，该解耦支路还接至整机地；开关管S1～4组成无桥BoostPFC拓扑，其中一个桥臂的开关管S1～2充当PFC桥臂，工作在开关频率下用于实现PFC功能；另一个桥臂的开关管S3～4充当工频管，同时被复用与所述解耦支路构成Buck电路，其开关动作能够将原来由母线电容Cbus承受的电压纹波转移到解耦电容C2之上，解耦电感L2则用于能量缓冲；各开关管与控制器通过信号线连接，由后者产生电路信号控制各桥臂中的开关管动作。2.基于权利要求1所述自适应功率解耦控制电路的解耦控制实现方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)在每一个控制周期内，控制器检测当前电路状态，并根据电路状态和外部传输或内部预设的参考信号产生电路控制信号，保证电路稳定运行在正常PFC工作状态；(2)检测母线电压并传送至控制器，由其计算得到解耦电压参考值用于控制与解耦支路构成Buck电路的被复用桥臂中的开关管动作，将母线侧承受的纹波转移到解耦电容C2上。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，当负载发生变化时，控制器根据负载功率变化情况进行自适应解...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪小青，陈敏，李博栋，陈宁，陈磊，孙欣楠，张东博，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33