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一种基于假耦合工频电感且无零电流检测的PFC控制方法

阅读：416发布：2020-05-08

专利汇可以提供一种基于假耦合工频电感且无零电流检测的PFC控制方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及一种基于假耦合工频电感且无零电流检测的PFC控制方法，工作在临界模式下，交错并联的PFC，包括以下步骤：将功率器件电压输入单片机，并与单片机中预设的电压理论值进行比较，输出零电流触发信号，开启PWM；所述单片机输出关断PWM的触发信号，单片机进入外部中断，触发单片机模数转换器，此时单片机分别采集假耦合电感上两个绕组的电流值、输入电压值、输出电压值、线圈温度；将采集的电流值与理论电流值进行比较，运行补偿算法，得出补偿值并对绕组的电感进行补偿；再根据假耦合电感的两个绕组的温度、电流值来判断是否运行保护算法。本发明提供的控制方法，能够避免磁耦合的方法所产生的漏感与寄生电容造成的电压尖峰，产生误触发。，下面是一种基于假耦合工频电感且无零电流检测的PFC控制方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种基于假耦合工频电感且无零电流检测的PFC控制方法，工作在临界模式下，交错并联的PFC，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将功率器件的集电极与发射极间的电压输入单片机内部的数字比较器，并与所述数字比较器中预设的电压理论值进行比较，当所述功率器件的集电极与发射极间的电压低于单片机预设的电压理论值时，所述数字比较器输出零电流触发信号，开启PWM；
S2：由所述数字比较器输出关断PWM的触发信号，并将该信号传输至送至单片机外部中断入口；
S3：PWM关断，单片机进入外部中断，触发单片机模数转换器，此时单片机分别采集假耦合电感上两个绕组的电流值、输入电压值、输出电压值、线圈温度；
S4：将所述单片机采集的两个绕组的电流值与理论电流值进行比较，运行补偿算法，得出零电流触发时刻的补偿值，对绕组的电感进行补偿；
S5：再根据假耦合电感的两个绕组的温度、电流值判断是否运行保护算法。
2.根据权利要求1中所述的一种基于假耦合工频电感且无零电流检测的PFC控制方法，其特征在于，步骤S1中所述的电压理论值由单片机写入，集成于单片机内部。
3.根据权利要求1中所述的一种基于假耦合工频电感且无零电流检测的PFC控制方法，其特征在于，步骤S3中所述的电感为假耦合电感，包括上盖(1)、上盖卡扣(12)、I型硅钢片铁芯(2)、骨架(3)、绕组(4)、气隙垫片(6)、E型硅钢片铁芯(7)、底座(9)、底座卡扣(11)、焊接口(13)、焊接槽(14)，所述骨架(3)上设有防呆槽(5)，所述底座(9)上设有防呆杆(8)。
4.根据权利要求3中所述的一种基于假耦合工频电感且无零电流检测的PFC控制方法，其特征在于，所述假耦合电感的整合过程为：
固定底座(9)；
放置E型硅钢片铁芯(7)，将E型硅钢片铁芯(7)与底座(9)的接触面涂胶；
放置绕好绕组(4)的骨架(3)，所述骨架(3)下面涂胶，将骨架(3)下沿卡至底座卡扣(11)内；
将气隙垫片(6)涂胶，放置于E型硅钢片铁芯(7)的两个边柱的气隙处；
将I型硅钢片铁芯(2)下面涂胶，置于E型硅钢片铁芯(7)上；
将顶盖(1)与I型硅钢片铁芯(2)接触面涂胶，并扣在I型硅钢片铁芯(2)上，将上盖卡扣(12)卡于骨架(3)上沿；
通过上盖(1)的焊接口(13)和E型硅钢片铁芯中柱上的焊接槽(14)，将E型硅钢片铁芯(7)的中柱与I型硅钢片铁芯(2)焊接至一体。
5.根据权利要求4中所述的一种基于假耦合工频电感且无零电流检测的PFC控制方法，其特征在于，所述绕组(4)采用扁平立绕线，所述绕组(4)的绕制方向均由上至下，一组由左至右，另一组由右至左绕制，确保在E型硅钢片铁芯(7)的中柱上产生的磁通方向相反。
6.根据权利要求1中所述的一种基于假耦合工频电感且无零电流检测的PFC控制方法，其特征在于，步骤S4中所述的理论电流值的计算公式为：其中
I'L1和I'L2为PWM关断时刻两个绕组的理论电流值，Vac为假耦合电感的输入电压值，L1和L2为两个绕组的真实值，Δt为步骤S1和步骤S2中所述的PWM开启至关断的时间差，所述两个绕组的真实值L1、L2由步骤S3中采集到的绕组温度与电流值作为补偿值后利用补偿算法得到的。
7.根据权利要求6中所述的一种基于假耦合工频电感且无零电流检测的PFC控制方法，其特征在于，所述Δt由临界模式下的PFC电路中的负载的值确定。
8.根据权利要求6中所述的一种基于假耦合工频电感且无零电流检测的PFC控制方法，其特征在于，步骤S4所述的比较过程中若理论电流值L1和L2与采集的电流值I'L1或I'L2存在差值，说明临界模式电感并未复位，利用补偿算法将两者的差值换算成时间进行补偿，确保电感复位，补偿值ΔZCD1与ΔZCD2由下式得出：
其中Vdc是假耦合电感的输出
电压值，IL1、IL2是由步骤S3中采集到的绕组电流值。
9.根据权利要求1中所述的一种基于假耦合工频电感且无零电流检测的PFC控制方法，其特征在于，步骤S5中所述保护算法是否运行的判断条件为：当检测到两个绕组上的温度或电流的最大值不一致时，运行保护算法；所述保护算法的运行过程为：分别将两个绕组的温度差和电流最大值的差值输入至比例积分控制器，分别输出两个权重系数，比较两个权重系数的大小，以其中最大的权重系数的值来执行，调节功率权重来减小电流差值或温度差值。
10.根据权利要求1中所述的一种基于假耦合工频电感且无零电流检测的PFC控制方法，其特征在于，所述补偿算法和保护算法均以20k的载频运行。

说明书全文

一种基于假耦合工频电感且无零电流检测的PFC控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及供电技术领域，具体涉及一种基于假耦合工频电感且无零电流检测的PFC控制方法。

背景技术

[0002] 在交流电应用领域中，由于直流母线电容的存在，会造成输入电流的尖峰，产生大量谐波，降低功率因数，影响市电的稳定性。因此必须使用功率因数矫正电路，而临界模式的PFC，是功率因数矫正电路的一种，它具有功率器件零电流开通、二极管无恢复电流、功率器件低电压开通、电感量小、开关损耗小、成本低的优点。但是器件峰值电流较大、输入电流纹波较高。

[0003] 在专利名称为：“多模式功率因数校正器的实现方法及装置”(申请号：201010177415.8，申请公布日：2010.10.13)公开了一种本发明实施例提供了一种多模式功率因数校正器的实现方法及装置，所述方法是通过零电流检测信号来控制多模式功率因数校正器PFC的开关切换频率；当负载低于预先设定值时，所述多模式PFC工作在临界模式；随着所述负载的增加，由所述零电流检测信号控制的开关切换频率越来越低，当所述开关切换频率降低至连续导通模式下PFC所设定的频率时，所述开关切换频率不再改变，该多模式PFC工作在连续导通模式。通过上述简单合理的设计，在不影响原控制方法稳定性的基础上，结合了临界模式和连续导通模式的优点，在不同负载情况下都能保持高效率的特点，同时也可以进行大功率的输出，满足了开关电源产品的需求。

[0004] 上述专利中提到了在PFC电感上增加辅助绕组，通过检测辅助绕组输出端的电压，来触发零电流信号，而这将产生额外的成本，且无法忽略电感温度的影响，会出现直流偏置的情况；在此同时可以采用磁耦合的方式将辅助绕组绕制在耦合电感中，但是由于耦合系数无法理想化，存在漏感与寄生电容，这些参数将造成震荡、干扰及电压尖峰，影响着零电流控制信号的准确性，造成误触发。

发明内容

[0005] 为了解决上述问题，本发明提供了一种基于假耦合工频电感且无零电流检测的PFC控制方法，能够有效降低硬件成本，能有效避免了两路电流发生直流偏置，零电流控制信号的准确性更好，避免了震荡、干扰及电压尖峰的情况。

[0006] 本发明的技术方案如下所示：

[0007] 一种基于假耦合工频电感且无零电流检测的PFC控制方法，工作在临界模式下，交错并联的PFC，包括以下步骤：

[0008] S1：将功率器件的集电极与发射极间的电压输入单片机内部的数字比较器，并与所述数字比较器中预设的电压理论值进行比较，当所述功率器件的集电极与发射极间的电压低于单片机预设的电压理论值时，所述数字比较器输出零电流触发信号，开启PWM；

[0009] S2：由所述数字比较器输出关断PWM的触发信号，并将该信号传输至送至单片机外部中断入口；

[0010] S3：PWM关断，单片机进入外部中断，触发单片机模数转换器，此时单片机分别采集假耦合电感上两个绕组的电流值、输入电压值、输出电压值、线圈温度；

[0011] S4：将所述单片机采集的两个绕组的电流值与理论电流值进行比较，运行补偿算法，得出零电流触发时刻的补偿值，对绕组的电感进行补偿；

[0012] S5：再根据假耦合电感的两个绕组的温度、电流值来判断是否运行保护算法。

[0013] 优选的，步骤S1中所述的电压理论值由单片机写入，集成于单片机内部。

[0014] 优选的，步骤S3中所述的电感为假耦合电感，包括上盖、上盖卡扣、I型硅钢片铁芯、骨架、绕组、气隙垫片、E型硅钢片铁芯、底座、底座卡扣、焊接口、焊接槽，所述骨架上设有防呆槽，所述底座上设有防呆杆。

[0015] 优选的，所述假耦合电感的整合过程为：

[0016] 固定底座；

[0017] 放置E型硅钢片铁芯，将E型硅钢片铁芯与底座的接触面涂胶；

[0018] 放置绕好绕组的骨架，所述骨架下面涂胶，将骨架下沿卡至底座卡扣内；

[0019] 将气隙垫片涂胶，放置于E型硅钢片铁芯的两个边柱的气隙处；

[0020] 将I型硅钢片铁芯下面涂胶，置于E型硅钢片铁芯上；

[0021] 将顶盖与I型硅钢片铁芯接触面涂胶，并扣在I型硅钢片铁芯上，将上盖卡扣卡于骨架上沿；

[0022] 通过上盖的焊接口和E型硅钢片铁芯中柱上的焊接槽，将E型硅钢片铁芯的中柱与I型硅钢片铁芯焊接至一体。

[0023] 其中卡扣是依靠上盖与底座产生的形变，增强弹力，增强固定的紧实程度，防止由于生产误差，造成的上盖底座松动；增设卡扣加强筋目的为了增强卡扣的耐用性；工频电感采用硅钢片作为铁芯相比于铁氧体磁芯，具有成本低、磁密高的优点；中柱无气隙、两侧边柱开气隙，可以保证两个电感无耦合关系，且能有效防止电感的直流偏置效应；气隙垫片用于增强电感整合过程中的牢固程度。

[0024] 优选的，所述绕组采用扁平立绕线，所述绕组的绕制方向均由上至下，一组由左至右，另一组由右至左绕制，确保在E型硅钢片铁芯的中柱上产生的磁通方向相反。采用扁平立绕线的目的是为了减小线圈体积，减小寄生电容，磁通量方向相反的设计的目的是为了减小中柱电感饱和的风险，并减小中柱体积，进一步降低成本，同时在E型硅钢片铁芯的边柱上所开的气隙能够有效防止由于直流偏置造成的磁饱和。

[0025] 优选的，步骤S4中所述的理论电流值的计算公式为：其中I'L1和I'L2为PWM关断时刻两个绕组的理论电流值，Vac为假耦合电感的输入电压值，L1和L2为两个绕组的真实值，Δt为步骤S1和步骤S2中所述的PWM开启至关断的时间差，所述两个绕组的真实值L1、L2由步骤S3中采集到的绕组温度与电流值作为补偿值后利用补偿算法得到的。

[0026] 优选的，所述Δt由临界模式下的PFC电路中的负载的值确定。在临界模式下的PFC电路中，若负载为固定值，则PWM的开启时间同样为固定值，根据步骤S1中的PWM开启信号给出时刻开始计时，经过固定的时间后由单片机输出PWM关断信号。

[0027] 优选的，步骤S4所述的比较过程中若理论电流值L1和L2与采集的电流值I'L1或I'L2存在差值，说明临界模式电感并未复位，利用补偿算法将两者的差值换算成时间进行补偿，确保电感复位，补偿值ΔZCD1与ΔZCD2由下式得出：其中Vdc是假耦合电感的输出
电压值，IL1、IL2是由步骤S3中采集到的绕组电流值。

[0028] 优选的，步骤S5中所述保护功能是否运行的判断方法为：当检测到两个绕组上的温度或电流的最大值不一致时，运行保护算法；所述保护算法的运行过程为：分别将两个绕组的温度差和电流最大值的差值输入至比例积分控制器，分别输出两个权重系数，比较两个权重系数的大小，以其中最大的权重系数的值来执行，调节功率权重来减小电流差值或温度差值。

[0029] 更优选的，所述补偿算法和保护算法均以20k的载频运行。

[0030] 本发明专利的有益效果为：对于临界模式PFC，相对于耦合式的电感，本发明的假耦合电感能够准确、简便的确定出电流过零时刻，且节省了硬件成本，能有效避免了两路电流发生直流偏置；同时无零电流检测电路的控制方法，能够避免磁耦合的方法所产生的漏感与寄生电容造成的电压尖峰，产生误触发。附图说明

[0031] 图1为本发明中控制方法的步骤框图。

[0032] 图2为标准临界模式电感电流、Vce电压的实际波形图。

[0033] 图3为临界模式电感未复为工况下的电流波形。

[0034] 图4为临界模式电感进入断续模式工况下的电流波形。

[0035] 图5为假耦合电感的爆炸示意图。

[0036] 图6为假耦合电感整合后效果图。

[0037] 图7为假耦合电感整合后正视图以及绕线方向示意图。

[0038] 图8为假耦合电感磁通路径图。

具体实施方式

[0039] 下面将结合附图来对本发明的实施例进行详细说明。

[0040] 一种基于假耦合工频电感的无零电流检测电路控制方法，如图1所示，步骤如下：利用PFC临界模式产生谐振的特点，运行控制算法，将VCE(功率器件的集电极与发射极间的电压)输入至单片机内部的数字比较器，如图2所示，当发生谐振，VCE跌落至2*Vac-Vdc(该式下限为零)，产生PWM开启信号，式中Vac为假耦合电感上的输入电压，Vdc为假耦合电感上的输入电压；PWM开启经过固定的一段时间后，数字比较器自动输出PWM关断信号，送至单片机外部中断入口，当关断信号来临时，单片机进入外部中断，触发单片机模数转换器，采集该时刻的两个绕组的电流IL1与IL2、输入电压Vac、输出电压Vdc、温度TL1与TL2。将绕组温度与电流作为补偿值，补偿出当前工况下绕组的真实值L1与L2，由PWM开启的时间Δt，根据下面公式计算出PWM关断时刻电感电流的理论值I'L1和I'L2：如果理论
值I'L1和I'L2与采集的IL1或IL2存在差值，则说明临界模式电感并未复位，如图3所示，因此需要将两者的差值换算成时间进行补偿，确保电感复位，补偿值ΔZCD1与ΔZCD2由下式得出：

[0041] 其中Δt的是由电压环的PI输出的，这电压环的PI属于本领域的常规技术，对于临界模式的PFC，负载固定，那么开启时间就是固定的了。根据PWM开启信号给出时开始计时，经过Δt，由单片机输出PWM关断信号。

[0042] 但是即使理论值I'L1和I'L2与采集的IL1或IL2分别相等，也无法说明电感工作在临界模式，有可能进入断续模式，如图4所示，断续模式的误差会一直累积，最终导致系统失调，因此补偿值ΔZCD1与ΔZCD2要时刻进行补偿，防止电感进入断续模式，使电感始终在临界模式附近移动。

[0043] 此外本发明还设有保护算法，在假耦合电感的两个线圈温度、与电流值偏差过大时，保护算法能够调整交错PFC两路的功率权重，其中调节功率权重的含义为权重更大的一路PWM开通到关断的时差更长；其中调节过程为：将两个绕组的温度差、电流最大值差分别经过比例积分控制器，分别输出两个权重系数，哪个权重系数大，就按哪个权重系数执行。该保护算法可以防止温度偏差过大，造成电流偏差过大，进而炸机。

[0044] 至此就可以准确的由单片机输出零电流触发信号，且有效的避免了由于电感耦合所带来的漏感与寄生电容造成的干扰及误触发，能够增强系统的稳定性，使系统更加可靠。

[0045] 本发明实施例还提供的一种假耦合电感，如图5所示，包括顶盖1、I型硅钢片铁芯2、骨架3、绕组4、防呆槽5、气隙垫片6、E型硅钢片铁芯7、防呆杆8、底座9；假耦合电感的整合方式如下所示：

[0046] 通过固定螺丝10固定底座。

[0047] 放置E型硅钢片铁芯7，将E型硅钢片铁芯7与底座9的接触面涂胶。

[0048] 放置设有绕组4的骨架3，将骨架3下面涂胶，将骨架3下沿卡至底座卡扣11内。

[0049] 将气隙垫片6涂胶，放置于E型硅钢片铁芯7的两个边柱的气隙处。

[0050] 将I型硅钢片铁芯2下面涂胶，置于E型硅钢片铁芯7上。

[0051] 将顶盖1与I型硅钢片铁芯2接触面涂胶，扣于I型硅钢片铁芯上，将上盖卡扣12卡于骨架3上沿。

[0052] 通过上盖的焊接口13和E型硅钢片铁芯7的焊接槽14，将E型硅钢片铁芯7的中柱与I型硅钢片铁芯2焊接至一体，整合完成后如图6所示。

[0053] 其中两个绕组4采用扁平立绕线，分别绕制在两个骨架3上，两个骨架3分别放置于E型硅钢片铁芯7的两个边柱上，骨架3设有防呆槽5，能够防止左右、上下反向放置；为增加安装的牢固性，设有顶盖1与底座9，顶盖1与底座9还设有卡扣以及对应的卡扣加强筋15，用于固定电感；经过每一个接触面的涂胶后，在E型硅钢片铁芯7的中柱处将两个铁芯焊接至一体。同时根据电磁效应，两个绕组3绕制方向需确保在中柱上产生的磁通方向相反，如图7、图8所示，能够降低磁饱和的风险，即两个绕组3均由上至下，但一组由左至右；另一组由右至左绕制，同时设置在两个边柱上也能预防由于两个绕组3直流偏置造成的磁饱和。

[0054] 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

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