一种快速瞬态响应的数字功率因数变换器及其控制方法

摘要

一种快速瞬态响应的数字功率因数变换器，设有EMI滤波器、整流电路、Boost型变换器功率级主拓扑结构、两个分压单元、三个A/D采样转换单元、预测控制单元、PID控制单元、占空比修正单元和数字脉冲调制器，交流电压AC连接EMI滤波器的输入端，EMI滤波器的输出端与整流电路的输入端连接，第二分压单元的输入端连接整流电路的输出端也是主拓扑结构的输入端，第一分压单元的输入端与主拓扑的输出端连接，三个A/D采样转换单元的输出端分别连接预测控制单元，输出信号和参考电压信号V_ref比较后输出电压误差信号和输出电压误差偏差信号至PID控制单元，占空比修正单元的输出信号与PID控制单元的输出信号相乘后连接数字脉冲调制器，数字脉冲调制器的输出端连接主拓扑结构中MOS管Q的栅极。

主权项

一种快速瞬态响应的数字功率因数变换器，设有EMI滤波器、整流电路、Boost型变换器功率级主拓扑结构、两个分压单元、三个A/D采样转换单元、预测控制单元、PID控制单元、占空比修正单元和数字脉冲调制器；输入交流电压AC连接EMI滤波器的输入端，交流电压AC一端接地，EMI滤波器的输出端与整流电路的输入端连接；第二分压单元的输入端连接在整流电路的输出端上，也是Boost型变换器功率级主拓扑结构的输入端，由两个分压电阻R₃和R₄串联构成，电阻R₃与R₄的串接端连接第一A/D采样转换单元的输入端，电阻R₃的另一端连接整流电路的一个输出端，电阻R₄的另一端连接整流电路的另一个输出端；Boost型变换器功率级主拓扑结构包括电感L、MOS管Q、二极管D、电容C和输出负载电阻R，电感L的一端连接整流电路与电阻R₃连接的那个输出端，电感L的另一端连接MOS管Q的漏极和二极管D的正端，二极管D的负端与电容C的一端、输出负载电阻R的一端连接在一起，电容C的另一端、输出负载电阻R的另一端、MOS管Q的源极共同连接整流电路与电阻R₄连接的那个输出端；第一分压单元的输入端与主拓扑的输出端连接，由两个分压电阻R₁和R₂串联构成，电阻R₁与R₂的串接端连接第三A/D采样转换单元的输入端，电阻R₁的另一端连接主拓扑结构中二极管D的负端，电阻R₂的另一端与MOS管Q的源极以及第二A/D采样转换单元的输入端连接在一起；第一、第二、第三A/D采样转换单元的输出端分别连接预测控制单元的三个输入端，预测控制单元的输出信号和参考电压信号V_ref共同输入到比较器，比较器分别输出电压误差信号和输出电压误差偏差信号至PID控制单元，第一A/D采样转换单元的输出信号还连接占空比修正单元输入端，占空比修正单元的输出信号与PID控制单元的输出信号经乘法器相乘后连接数字脉冲调制器的输入端，数字脉冲调制器的输出端连接主拓扑结构中MOS管Q的栅极；其特征在于：第一、第二、第三A/D采样转换单元分别采样数字功率因数变换器的模拟输入电压值V_in[t]、模拟电感电流值i_L[t]和模拟输出电压值V_o[t]，分别经过AD转换得到相应的数字输入电压值V_in[k]、数字电感电流值i_L[k]和数字离散输出电压值V_o[k]，将数字输入电压值V_in[k]、数字电感电流值i_L[k]和数字离散输出电压值V_o[k]共同输入至预测控制单元，预测控制单元执行预测控制算法预测计算下周期的输出电压值V_o[k+1]，将预测单元的输出信号V_o[k+1]与参考电压信号V_ref作比较，得到输出电压误差信号e[k+1]和输出电压误差偏差信号Δe[k+1]，将电压误差信号e[k+1]和电压误差偏差信号Δe[k+1]作为PID控制单元的输入信号，PID控制单元执行PID控制算法，其输出信号为d[k]，占空比修正单元的输入信号为V_in[k]，占空比修正单元执行占空比修正算法，其输出为修正参数信号K，PID控制单元输出信号d[k]与修正参数信号K做乘积运算获得修正信号数字脉冲调制器的输入信号为修正信号数字脉冲调制器输出相应的占空比信号，与主拓扑结构的MOS管栅极连接，控制MOS管的开关状态；具体方法是：1)在第k个开关周期的初始，分别采样变换器的模拟输出电压值V_o[t]、模拟电感电流值i_L[t]和模拟输入电压值V_in[t]、经过AD转换得到相应的数字离散输出电压值V_o[k]、数字电感电流值i_L[k]和数字输入电压值V_in[k]；2)第k周期数字离散输出电压值V_o[k]、数字输入电压值V_in[k]、数字电感电流值i_L[k]作为预测控制单元的输入信号，根据Boost型变换器主拓扑结构所内在的输出电压与电感电流关系，插入n个插值点作迭代运算，预测求得第k+1周期的数字离散输出电压值V_o[k+1]和数字电感电流值i_L[k+1]；3)预测的数字离散输出电压值V_o[k+1]与参考电压信号V_ref作比较得到电压误差信号e[k+1]和电压误差偏差信号Δe[k+1]，这样下一开关周期的误差值e和误差偏差值Δe提前被应用输入到PID控制单元，从而降低数字系统环路时延的影响；4)PID控制单元根据提前预测的e[k+1]和Δe[k+1]值，控制PID控制单元的输出信号d[k]，以稳定变换器的输出电压值；5)占空比修正单元根据第一A/D采样转换单元所离散化的输入电压值V_in[k]，获得占空比修正参数K为将修正参数信号K与PID输出信号d[k]相乘得修正信号修正PID输出占空比信号从而提高功率因数变换器的功率因数值；6)数字脉冲调制器根据修正信号输出相应的PWM信号，驱动变换器的功率管的开关状态，从而调节变换器的输出电压；7)数字功率因数变换器的输出电压、电感电流和输入电压经第一、第二、第三A/D采样转换单元再次采样转换，经过预测控制单元、PID控制单元、占空比修正单元、数字脉冲调制器形成新的PWM信号控制MOS功率开关管，循环控制直至数字功率因数变换器输出电压值与参考电压信号V_ref一致。