一种前级pfc与后级dcdc联合控制方法
阅读说明：本技术 一种前级pfc与后级dcdc联合控制方法 (Front-stage PFC and rear-stage DCDC combined control method ) 是由 任开春 朱爱玉 于 2021-09-30 设计创作，主要内容包括：本发明涉及电力电子技术领域,公开了一种前级PFC与后级DCDC联合控制方法,能根据后级DC/DC输出电压的实际需求,向前级PFC发送调压信号,PFC根据收到的调压信号动态调节自身的输出电压,使输出电压满足后级DC/DC的需求。本发明解决了前级PFC输出电压在特定范围内动态调节输出电压的技术问题,具有使整个AC/DC变换器工作状态更优的有益效果。(The invention relates to the technical field of power electronics, and discloses a front-stage PFC and rear-stage DCDC combined control method which can send a voltage regulating signal to the front-stage PFC according to the actual requirement of the rear-stage DC/DC output voltage, and the PFC dynamically regulates the output voltage of the PFC according to the received voltage regulating signal so that the output voltage meets the requirement of the rear-stage DC/DC. The invention solves the technical problem that the output voltage of the front-stage PFC is dynamically regulated within a specific range, and has the advantage of ensuring that the working state of the whole AC/DC converter is better.)
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种前级PFC与后级DCDC联合控制方法。
背景技术
随着电力电子技术的发展，AC/DC变换器已经成为各种电路中常用的电路，AC/DC变换器通常由PFC(功率因数校正)前级和DC/DC(直流变换器)后级组成，因此AC/DC的最优状态通常是PFC和DC/DC都处于最优时才能达到。但是由于PFC通常使用Boost升压型拓扑，故其电压通常情况下是不能进行调整的，从而造成AC/DC不能始终工作在最优状态。
为解决这一问题，现有技术中，有一种电压可调节PFC电路，包括PFC电路，连接在PFC电路上的电感LF3、控制IC，与控制IC连接的电压反馈回路，连接在电压反馈回路上的电阻R22，还包括PFC电压调节电路，PFC电压调节电路的输入端由二极管D15，电容C31、C32，电阻R56、R57组成，该输入端接在AC整流后的PFC+端到地，PFC电压调节电路的输出端由比较器U5、电阻R58组成，该输出端与电压反馈回路连接，当AC电压低时，比较器U5不导通，电阻R58悬空，PFC电路输出低电压，当AC电压高时，比较器U5导通，电阻R58与电阻R22并联，PFC电路输出高电压。能减少电能损耗、提高PFC电路的工作效率。
虽然上述方案中PFC输出的电压能够调节，但是其调节范围只在360V-420V之间，并且其只能在最大输入电压的峰值电压往上调节，并不能根据实际需求的变化动态调节PFC的输出电压。故，本方案要解决的技术问题是能够实现PFC的输出电压在调压范围内动态调节。
发明内容
本发明意在提供一种前级PFC与后级DCDC联合控制方法，使PFC的输出电压根据后级DC/DC的需求在调压范围内动态调节。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种前级PFC与后级DCDC联合控制方法，包括以下步骤：
步骤S1，设定前级PFC主电路输出电压U0的调压范围，以及后级DC/DC模块的输出电压U01、DC/DC的占空比和输出电流I01，并将所述输出电压U01、DC/DC的占空比和输出电流I01作为反馈信息发送至前级PFC主电路；
步骤S2，前级PFC主电路接收所述反馈信息，通过预设调压策略进行前级PFC主电路输出电压U0的调节，调节完成后将输出电压U0发送至后级DC/DC模块；所述预设调压策略为，
设定电压PI调节器的给定电压U1和后级DC/DC模块的调节系数K，通过所述给定电压U1与所述调节系数K计算得到电压PI调节器的前端电压U3；
采集前级PFC主电路的输出数据得到输出电压取样U11和输出电流取样I8，并通过输出电压取样U11与所述前端电压U3计算得到电压偏差U2；
将所述电压偏差U2发送至电压PI调节器，电压PI调节器根据所述电压偏差U2调节自身输出电压U5；
对全波电压进行采集，得到全波取样电压U6，并通过全波取样电压U6与所述输出电压U5计算得到电流PI调节器的给定电流I6；
给定电流I6与所述输出电流取样I8计算得到电流偏差I7后，将电流偏差I7发送至电流PI调节器，电流偏差I7经电流PI调节器调节后得到输出电压U7；
电流PI调节器将所述输出电压U7发送至前级PFC主电路，所述输出电压U7根据预设调节方法对前级PFC主电路进行调节后得到输出电压U0，并将所述输出电压U0发送至后级DC/DC模块；
步骤S3，后级DC/DC模块接收所述输出电压U0，并对所述输出电压U0按照预设处理方案进行处理后输出。
本方案的原理及优点是：实际应用时，根据后级DC/DC的输出电压和输出功率的要求，产生一个电压调节信号，再根据后级DC/DC的需求，设置调节器的给定电压和调节系数，通过将给定电压与调节系数相乘得到电压PI调节器的前端电压，然后再采集前级PFC主电路的输出电压得到取样电压，通过用前端电压减去取样电压得到电压偏差，从而根据电压偏差来调节电压PI调节器的输出电压和输出电流；随后采集全波电压与电压PI调节器的输出电压相乘得到电流PI调节器的给定电流，然后通过与输出电流计算出电流偏差，来调节电流PI调节器的输出电压，实现对前级PFC主电路占空比的调节，进而对前级PFC主电路的输出电压进行调节，使前级PFC主电路的输出电压能根据后级DC/DC模块的需求动态调节，保证AC/DC变换器始终工作在最优状态。
本方案的优点在于能够根据后级DC/DC模块输出电压或者输出功率的实际需求，通过PI调节器动态调节前级PFC主电路的输出电压，使后级DC/DC模块的输出电压能够在预设的大范围内动态调节，从而适应不同的负载需求，使AC/DC变换器的应用范围更广泛。相比于现有的调节手段，能够从原来的固定电压值调节改进到电压的动态调节，使AC/DC变换器能够在提供稳定输出电源的前提下，通过内部电压的调节，减小功耗，提高效率。
优选的，作为一种改进，输出数据包括输出电压U0、输出电流I0和其他数据。
采集电压和电流数据不仅能够清楚地知道当前前级PFC主电路的工作状态，同时也能为后续对前级PFC主电路的电压调节提供对比数据；除了电压和电流，还可以采集其他的数据，例如功率，电压幅值等，同样能够为前级PFC主电路的电压调节提供数据支持。
优选的，作为一种改进，给定电压U1与所述调节系数K计算得到电压PI调节器的前端电压U3为，将给定电压U1与调节系数K相乘得到电压PI调节器的前端电压U3。
根据后级DC/DC模块的需求，反馈回来电压调节信号，即电压调节系数K，则通过将给定电压U1与调节系数K相乘，就可以得到电压U3，再反馈至电压PI调节器中，从而实现对前级PFC主电路输出电压的调节，达到满足后级DC/DC模块需求的目的。
优选的，作为一种改进，通过输出电压取样U11与所述前端电压U3计算得到电压偏差U2为，将所述前端电压U3减去所述输出电压取样U11，得到电压偏差U2。
通过采集当前时刻前级PFC主电路实际的输出电压，再与此前计算出来的电压PI调节器的前端电压作对比得到电压偏差，再通过电压PI调节器实现对此误差的反馈调节，使前级PFC主电路实际的输出电压能够满足后级DC/DC模块的使用需求。
优选的，作为一种改进，给定电流I6与输出电流取样I8计算得到电流偏差I7为，将给定电流I6减去所述输出电流取样I8得到电流偏差I7。
通过计算出当前时刻实际的输出电流与给定电流之间的误差，并将误差反馈给电流PI调节器对输出电流进行调节，从而使前级PFC主电路实际的输出电流能够满足后级DC/DC模块的需求。
优选的，作为一种改进，调节系数K为分数，包括分母和分子；分母为电压PI调节器的给定电压U1，所述分子为所述调压范围。
调节系数K的分母为给定电压U1，分子为调压范围内的任意值，则调节系数K根据给定电压和前级PFC主电路的调压范围来确定，使最后对前级PFC主电路的输出电压的调节更准确，从而提高电压调节的准确率，保证AC/DC变换器的工作效果。
优选的，作为一种改进，调压范围为120V-330V；给定电压U1为3.3V。
根据后级DC/DC模块的需求，将前级PFC主电路的调压范围设置为120V-330V，使前级PFC主电路的输出电压在此范围内动态调节，从而动态调节后级DC/DC的输出电压，使后级DC/DC模块的输出电压能够满足需求，最终使AC/DC变换器始终工作在最优状态；给定电压的具体大小是与调节系数K匹配的，最终的目的是使PFC调压范围能够满足120V-330V的要求，使整个电压调节工作顺利进行。
优选的，作为一种改进，预设调节方法为，所述输出电压U7对前级PFC主电路的占空比进行控制调节。
通过输出电压U7对前级PFC主电路的占空比进行调节，从而使前级PFC主电路电压产生变化，从而实现对前级PFC主电路输出电压的调节。
优选的，作为一种改进，前级PFC主电路能够实现交流电的功率因数校正和整流功能。
在前级PFC主电路中，对输入的交流电的电流波形进行控制，使其与输入的电压波形同步，从而提高功率因数；当完成功率因数校正后，再进行整流后将电压传递到后级DC/DC模块中。
优选的，作为一种改进，预设处理方案为，后级DC/DC模块对所述输出电压U0进行电气隔离和变电压处理。
后级DC/DC模块对其输入的电压进行隔离，可以有效地隔离来自一次侧设备带来的干扰对整个AC/DC变换器的影响，使DC/DC后续接入的负载能够稳定的工作，同时根据需求对电压进行变压，通过在后级DC/DC模块设置不同的占空比，实现对输出电压大小的调节，使其能够满足负载需求，保证AC/DC变换器处于最优工作状态。
附图说明
图1为本发明一种前级PFC与后级DCDC联合控制方法实施例一的调压原理示意图。
图2为本发明一种前级PFC与后级DCDC联合控制方法实施例一的PI调节器原理图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步详细说明：
说明书附图中的附图标记包括：电压PI调节器1、电流PI调节器2、前级PFC主电路3、后级DC/DC模块4。
实施例一：
本实施例基本如附图1所示：一种前级PFC与后级DCDC联合控制方法，包括以下步骤：
步骤S1，设定前级PFC主电路3输出电压U0的调压范围，以及后级DC/DC模块4的输出电压U01、DC/DC的占空比和输出电流I01，并将所述输出电压U01、DC/DC的占空比和输出电流I01作为反馈信息发送至前级PFC主电路3。
步骤S2，前级PFC主电路3接收所述反馈信息，通过预设调压策略进行前级PFC主电路3输出电压U0的调节，调节完成后将输出电压U0发送至后级DC/DC模块4；所述预设调压策略为，
设定电压PI调节器1的给定电压U1和后级DC/DC模块4的调节系数K，通过所述给定电压U1与所述调节系数K计算得到电压PI调节器1的前端电压U3；
采集前级PFC主电路3的输出数据得到输出电压取样U11和输出电流取样I8，并通过输出电压取样U11与所述前端电压U3计算得到电压偏差U2；
将所述电压偏差U2发送至电压PI调节器1，电压PI调节器1根据所述电压偏差U2调节自身输出电压U5，并将所述输出电压U5发送至电流PI调节器2；
对全波电压进行采集，得到全波取样电压U6，并通过全波取样电压U6与所述输出电压U5计算得到电流PI调节器2的给定电流I6；
给定电流I6与所述输出电流取样I8计算得到电流偏差I7后，将电流偏差I7发送至电流PI调节器2，电流偏差I7经电流PI调节器2调节后得到输出电压U7；
电流PI调节器2将所述输出电压U7发送至前级PFC主电路3，所述输出电压U7根据预设调节方法对前级PFC主电路3进行调节后得到输出电压U0，并将所述输出电压U0发送至后级DC/DC模块4。
步骤S3，后级DC/DC模块4接收所述输出电压U0，并对所述输出电压U0按照预设处理方案进行处理后输出。
如附图2所示，PI调节器即比例、积分调节器，是一种线性控制器，它根据给定值与实际输出值构成控制偏差，将偏差的比例和积分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。电压PI调节器1和电流PI调节器2能够根据比例、积分的调节方式对AC/DC变换器的电压、电流的误差进行调节。
全波电压为将正弦电压中小于零的部分整流成大于零后，形成的波形全为正的电压。
本实施例中，调压范围为120V-330V，采用的后级DC/DC模块4的电压变换比为1/5，实际的输出电压U01为40V，则前级PFC主电路3实际的输出电压为200V；设定输出电压U01为48V，则前级PFC的输出电压U0为240V，后级DC/DC模块4的调节系数K为240/330。为对应电压PI调节器和电流PI调节器组成的控制回路电压、电流的设定要求，将前级PFC主电路实际输出的电压、电流值均缩小100倍反馈至电压PI调节器和电流PI调节器组成的控制回路中。
根据后级DC/DC模块4的需求，设定后级DC/DC模块4的输出电压值后，能通过反馈的调节系数K与设置的给定电压U1相乘得到所要调节的具体电压值，然后根据采集到的前级PFC主电路3实际的输出电压与调节电压对比得到电压偏差，通过电压偏差来调节电压PI调节器1的输出电压和输出电流，随后采集全波电压与电压PI调节器1的输出电压相乘得到电流PI调节器2的给定电流，然后通过与输出电流计算出电流偏差，来调节电流PI调节器2的输出电压，实现对前级PFC主电路3占空比的调节，进而对前级PFC主电路3的电压有效值进行调节，最终实现对后级DC/DC模块4输入电压的调节。整个调节过程简单清晰，采用的电压值也是常见易得到的电压，使对前级PFC主电路3输出电压的调节更便捷。
本实施例具体实施过程如下：
第一步，设定前级PFC主电路3输出电压U0的调压范围为120V-330V，以及后级DC/DC模块4的输出电压U01为48V，后级DC/DC模块4的电压变换比为1/5，输出电流I01为2A，并将所述输出电压U01、DC/DC的占空比和输出电流I01作为反馈信息发送至前级PFC主电路3。
第二步，前级PFC主电路3接收反馈信息，设定电压PI调节器1的给定电压U1为3.3V和后级DC/DC模块4的调节系数K为240/330，将给定电压U1与调节系数K相乘得到电压PI调节器1的前端电压U3为2.4V。
第三步，采集前级PFC主电路3的输出数据得到输出电压取样U11为2V，用前端电压U3减去输出电压U11，得到电压偏差U2为2.4V-2V＝0.4V；将电压偏差U2发送至电压PI调节器1，因为电压偏差U2为正，说明前端电压U3大于输出电压U11，电压PI调节器1将自身输出电压U5增大至2.4V输出。
第四步，对全波电压进行采集，得到全波取样电压U6，并通过全波取样电压U6与所述输出电压U5相乘得到电流PI调节器2的给定电流I6，使输出电流的波形变为与电压波形相同的正弦波，用给定电流I6减去前级PFC主电路3的输出电流取样I8，得到电流偏差I7，将电流偏差I7发送至电流PI调节器2，电流偏差I7经电流PI调节器2调节后得到输出电压U7。
第五步，电流PI调节器2将所述输出电压U7发送至前级PFC主电路3，输出电压U7对前级PFC主电路3的占空比进行控制调节后得到输出电压U0，并将所述输出电压U0发送至后级DC/DC模块4。
第六步，后级DC/DC模块4接收输出电压U0，并对输出电压U0进行电气隔离和变电压处理后，得到输出电压U01为48V，与设定值相等，则调压完成。
本方案中利用电压PI调节器和电流PI调节器，能够实现前级PFC主电路3的输出电压在120-330V之间实时动态调节，不仅电压调节范围大，同时能够自适应后级DC/DC模块的需求，使整个调节过程更智能化。在AC/DC变换器的前级PFC主电路3的输出电压调节方式上，现有技术中并没有采用PI调节器，一方面是因为PI调节器在实际运用过程中对调节电路的要求较高，而工业中因为负载额定电压的固定性，通常都是直接采用具体电压值的电源。本方案中能够使前级PFC主电路3的输出电压在120-330V的大范围内动态调节，不仅可以使输出电压适用于不同需求的负载，同时也能够通过PI调节器对电压进行比例、积分调节，保证电压调整的有效性和精准度，通过调整输出电压，避免实际的电压超过负载需求而造成电路元件的损坏。
实施例二：
本实施例基本与实施例一相同，区别在于：后级DC/DC模块4实际的输出电压U01为36V，则前级PFC主电路3实际的输出电压为180V；设定输出电压U01为24V，则前级PFC的输出电压U0为120V，后级DC/DC模块4的调节系数K为120/330。
改变前级PFC主电路3和后级DC/DC模块4实际的输出电压，使后级DC/DC模块4的输出电压在原来的基础上减小，改变此电压调节的方向，测试前级PFC主电路3的输出电压能在120V-330V之间任意调节的能力。
本实施例的具体实施过程与实施例一基本相同，区别在于：
第一步，设定前级PFC主电路3输出电压U0的调压范围为120V-330V，以及后级DC/DC模块4的输出电压U01为24V，后级DC/DC模块4的电压变换比为1/5，输出电流I01为2A，则前级PFC的输出电压U0为120V，将所述输出电压U01、DC/DC的占空比和输出电流I01作为反馈信息发送至前级PFC主电路3。
第二步，前级PFC主电路3接收反馈信息，设定电压PI调节器1的给定电压U1为3.3V和后级DC/DC模块4的调节系数K为120/330，将给定电压U1与调节系数K相乘得到电压PI调节器1的前端电压U3为1.2V。
第三步，采集前级PFC主电路3的输出数据得到输出电压取样U11为1.8V，用前端电压U3减去输出电压U11，得到电压偏差U2为1.2V-1.8V＝-0.6V；将电压偏差U2发送至电压PI调节器1，因为电压偏差U2为负，说明前端电压U3小于输出电压U11，电压PI调节器1将自身输出电压U5减小至1.2V输出。
通过模拟后级DC/DC模块的实际输出电压在当负载突然变小时，通过反馈调节来减小前级PFC主电路3的输出电压，从而达到后级DC/DC模块输出电压的下降调节，通过与实施例一的结合对比，能够实现前级PFC主电路3的输出电压根据后级DC/DC模块的实际需求变化，从而在预设的120-330V之间动态调节，使AC/DC变换器的工作状态始终为最优状态，能够满足不同的负载的实际需求变化。
实施例三：
本实施例基本与实施例一相同，区别在于：对全波电压进行采集时，选择有效值为1V的全波电压。
通过选取电压有效值为1V的全波电压与输出电流相乘后，则得到的输出电流值大小不变，但是波形就变为了与输出电压相同的正弦波，控制单一变量，使调节过程更简单方便。
本实施例的具体实施过程与实施例一相同，区别在于：
第四步，采集有效值为1V的全波电压波形，得到全波取样电压U6，并通过全波取样电压U6与所述输出电压U5相乘得到电流PI调节器2的给定电流I6，使输出电流的波形变成与输出电压相同的正弦波，用给定电流I6减去前级PFC主电路3的输出电流I8，得到电流偏差I7，将电流偏差I7发送至电流PI调节器2，电流偏差I7经电流PI调节器2调节后得到输出电压U7。
在经过电压PI调节器调节的调节后，对于电压PI调节器的输出电压要进行整流处理，则通过对有效值为1V的全波电压进行取样，则在将全波电压与电压PI调节器的输出电压相乘后，只会调整电压PI调节器的输出电压的波形，而不会对其电压大小造成影响，减小了调节过程中的影响因素，使整个调节更简单快捷。
实施例四：
本实施例与实施例一基本相同，区别在于：实时采集后级DC/DC模块4的负载需求，并根据负载需求发送调节信号至前级PFC主电路3。例如后级DC/DC模块4的负载突然增大，导致电压需要从当前的26V减小至25V。
采集后级DC/DC模块4的负载需求以及负载变化，根据后级DC/DC模块4需求实时反馈至前级PFC主电路3，使前级PFC主电路3根据后级DC/DC模块4的负载变化，动态调节前级PFC主电路3输出电压，从而实现AC/DC变换器的智能动态调节，使AC/DC变换器长期处于最优工作状态。
本实施例的具体实施过程如下：
第一步，设定前级PFC主电路3输出电压U0的调压范围为120V-330V，后级DC/DC模块4当前的输出电压U01为26V，后级DC/DC模块4的电压变换比为1/5，则前级PFC的输出电压U0为130V；DC/DC的负载突然增大，输出电压U01减小至25V，则将输出电压U01的数值25V作为反馈信息发送至前级PFC主电路3。
第二步，前级PFC主电路3接收反馈信息，设定电压PI调节器1的给定电压U1为3.3V和后级DC/DC模块4的调节系数K为150/330，将给定电压U1与调节系数K相乘得到电压PI调节器1的前端电压U3为1.5V。
第三步，采集前级PFC主电路3的输出数据得到输出电压取样U11为1.3V，用前端电压U3减去输出电压U11，得到电压偏差U2为1.5V-1.3V＝0.2V；将电压偏差U2发送至电压PI调节器1，因为电压偏差U2为正，说明前端电压U3大于输出电压U11，电压PI调节器1将自身输出电压U5增大至1.5V输出。
第四步，对全波电压进行采集，得到全波取样电压U6，并通过全波取样电压U6与所述输出电压U5相乘得到电流PI调节器2的给定电流I6，使输出电流的波形变为与电压波形相同的正弦波，用给定电流I6减去前级PFC主电路3的输出电流I8，得到电流偏差I7，将电流偏差I7发送至电流PI调节器2，电流偏差I7经电流PI调节器2调节后得到输出电压U7。
第五步，电流PI调节器2将所述输出电压U7发送至前级PFC主电路3，输出电压U7对前级PFC主电路3的占空比进行控制调节后得到输出电压U0，并将所述输出电压U0发送至后级DC/DC模块4。
第六步，后级DC/DC模块4接收输出电压U0，并对输出电压U0进行电气隔离和变电压处理后，得到输出电压U01为25V，满足负载要求，则调压完成。
通过实时采集后级DC/DC模块的负载变化，从而得到电压调节的调节方向，反馈至PI调节器后，通过反馈的调节系数K来确定电压PI调节器的输出电压调节范围，从而使整个调节过程更简单快捷，能够对系统负载的变化需求快速进行调节反馈，保证负载的工作状态以及AC/DC变换器的工作状态都处于最优状态，实现电能的最大利用化。
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体技术方案和/或特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术方案的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。