一种多相交错APFC输入侧电流自平衡系统及方法

技术领域

本发明涉及电力电子交-直流变换技术领域，特别是一种多相交错APFC输入侧电流自平衡系统及方法。

背景技术

APFC(Active Power Factor Correction)是一种常见的有源功率因数校正装置，能够有效抑制交流侧电流谐波分量，但是随着设计要求输出容量的增加，APFC电路输出功率受限于单体宽禁带半导体功率器件输出能力，单个电路遭遇功率输出瓶颈，因此通常把APFC和MOSFET并联使用，但是由于MOSFET参数存在差异，输出特性不匹配，直接并联的功率器件很难保持电流平均分配，热应力容易偏移在一个MOSFET上，影响工作稳定性和可靠性。

交错并联是一种组合了串联和并联的连接方式。在交错并联中，多个电器或电路元件被分成若干个并联组，每个并联组中的元件是串联连接的，这种连接方式既有并联的电压相同特点，又有串联的电流共用特点，常用于复杂的电路设计中，以满足特定的电压和电流要求。交错并联虽然在电磁兼容特性上比直接并联更好，但是同样存在由于元器件的精度误差、交错相的控制环路反馈信号差异、输出电压偏差等原因导致的交错相输出功率不同和主功率电路电流应力差异，电流静差始终存在，因而交错并联也存在电流应力不均的问题。

因此，亟待对多相交错APFC中电流应力不均的问题进行研究，使APFC交错相之间的电流能够动态调节，避免稳态电流静差，防止出现功率管因热应力集中导致损坏的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够避免多相交错APFC稳态电流静差，防止直接并联的某一路功率管因热应力集中导致损坏，提高多相交错APFC系统的稳定性的多相交错APFC输入侧电流自平衡系统及方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种多相交错APFC输入侧电流自平衡系统，包括顺次设置的输入侧相电流取样模块、相电流有效值计算模块、相电流均值滤波模块、相电流对中偏差模块、误差缩放模块和瞬时电流值随机补偿模块；

所述输入侧相电流取样模块，用于对多相交错APFC主电路交流输入侧相电流进行离散化采样；

所述相电流有效值计算模块，用于根据相电流离散采样值进行有效值计算；

所述相电流均值滤波模块，用于对不同路相同相电流有效值进行均值滤波；

所述相电流对中偏差模块，用于将参与均值滤波的每相电流有效值与均值滤波结果求差，获取各相电流对中偏差；

所述误差缩放模块，用于将对中偏差量按照不同路电流偏移程度进行比例缩放，调节校正速度；

所述瞬时电流值随机补偿模块，用于使用误差缩放结果随机补偿每相电流瞬时值，得到校正后结果，作为控制方程输入，改变控制输出占空比，动态调节不同路相电流分配。

一种多相交错APFC输入侧电流自平衡方法，包括以下步骤：

步骤1、输入侧相电流取样模块对多相交错APFC主电路交流输入侧相电流进行离散化采样，获取多相电流瞬时值，输出到相电流有效值计算模块；

步骤2、相电流有效值计算模块进行有效值计算，得到各相电流有效值，运算结果输出到相电流均值滤波模块；

步骤3、在相电流均值滤波模块内进行不同路相同相电流均值滤波，结果送输出到相电流对中偏差模块；

步骤4、相电流对中偏差模块分别将不同路的相同相电流与对应均值求差，获取每相电流有效值关于均值滤波结果的对中偏差，输出到误差缩放模块；

步骤5、误差缩放模块进行可调节比例缩放，缩放后结果送入瞬时电流值随机补偿模块；

步骤6、瞬时电流值随机补偿模块采用缩放后的对中偏差量对每相电流瞬时值进行随机补偿，动态调节不同路相电流分配。

进一步地，步骤1中，输入侧相电流取样模块对多相交错APFC主电路交流输入侧相电流进行离散化采样，获取多相电流瞬时值，输出到相电流有效值计算模块，具体如下：

输入侧相电流取样模块分别采集第1路至第n路电流互感器输出电压瞬时值i

进一步地，步骤2中，相电流有效值计算模块进行有效值计算，得到各相电流有效值，具体如下：

相电流有效值计算模块根据输入侧相电流取样模块的输出进行均方根计算，计算公式为：

其中，n表示第n路APFC，T是采样周期，i是采样瞬时值。

进一步地，步骤3中，在相电流均值滤波模块内进行不同路相同相电流均值滤波，具体如下：

相电流均值滤波模块根据相电流有效值计算模块输出的均方根计算I

进一步地，步骤4中，相电流对中偏差模块分别将不同路的相同相电流与对应均值求差，获取每相电流有效值关于均值滤波结果的对中偏差，具体如下：

相电流对中偏差模块根据相电流均值滤波模块输出的有效值的算术平均值I

e

进一步地，步骤5中，误差缩放模块进行可调节比例缩放，具体如下：

初始误差值为矢量，保留运算结果符号，表明每相电流的偏差程度和方向，然后将该初始误差值输出给误差缩放模块进行比例缩放，计算公式为：

e'

其中比例系数k根据两路电流偏差随机取值，k＞0。

进一步地，步骤6中，瞬时电流值随机补偿模块采用缩放后的对中偏差量对每相电流瞬时值进行随机补偿，动态调节不同路相电流分配，具体如下：

瞬时电流值随机补偿模块采用误差缩放模块输出的结果，补偿实际采样电流瞬时值，得到反向修正后的相电流，计算公式为：

i

使用反向修正后的电流值i

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)按照多相交错APFC主电路交流输入侧相电流实际采样值与控制预期之间的偏差，反向修正控制变量，校正最终输出，使APFC交错相之间的电流能够动态调节，避免稳态电流静差，防止直接并联的某一路功率管因热应力集中导致损坏，提高了多相交错APFC系统的稳定性；(2)方法简单，实现成本低，适用性强。

附图说明

图1是本发明一种多相交错APFC输入侧电流自平衡系统的结构框图。

图2是本发明实施例中多相交错APFC的控制结构图。

图3是本发明实施例中多相交错APFC输入侧电流自平衡系统与主电路连接关系的结构框图。

具体实施方式

容易理解，依据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神的情况下，本领域的一般技术人员可以想象出本发明的多种实施方式。因此，以下具体实施方式和附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限制或限定。

现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。

结合图1，本发明提供一种多相交错APFC输入侧电流自平衡系统，包括输入侧相电流取样模块1、相电流有效值计算模块2、相电流均值滤波模块3、相电流对中偏差模块4、误差缩放模块5和瞬时电流值随机补偿模块6；

所述输入侧相电流取样模块1，用于对多相交错APFC主电路交流输入侧相电流进行离散化采样；

所述相电流有效值计算模块2，用于根据相电流离散采样值进行有效值计算；

所述相电流均值滤波模块3，用于对不同路相同相电流有效值进行均值滤波；

所述相电流对中偏差模块4，用于将参与均值滤波的每相电流有效值与均值滤波结果求差，获取各相电流对中偏差；

所述误差缩放模块5，用于将对中偏差量按照不同路电流偏移程度进行比例缩放，调节校正速度；

所述瞬时电流值随机补偿模块6，用于使用误差缩放结果随机补偿每相电流瞬时值，得到校正后结果，作为控制方程输入，改变控制输出占空比，动态调节不同路相电流分配。

本发明还提供一种多相交错APFC输入侧电流自平衡方法，包括以下步骤：

步骤1、输入侧相电流取样模块1对多相交错APFC主电路交流输入侧相电流进行离散化采样，获取多相电流瞬时值，输出到相电流有效值计算模块2；

步骤2、相电流有效值计算模块2进行有效值计算，得到各相电流有效值，运算结果输出到相电流均值滤波模块3；

步骤3、在相电流均值滤波模块3内进行不同路相同相电流均值滤波，结果送输出到相电流对中偏差模块4；

步骤4、相电流对中偏差模块4分别将不同路的相同相电流与对应均值求差，获取每相电流有效值关于均值滤波结果的对中偏差，输出到误差缩放模块5；

步骤5、误差缩放模块5进行可调节比例缩放，缩放后结果送入瞬时电流值随机补偿模块6；

步骤6、瞬时电流值随机补偿模块6采用缩放后的对中偏差量对每相电流瞬时值进行随机补偿，动态调节不同路相电流分配。

作为一种具体示例，步骤1中，输入侧相电流取样模块1对多相交错APFC主电路交流输入侧相电流进行离散化采样，获取多相电流瞬时值，输出到相电流有效值计算模块2，具体如下：

输入侧相电流取样模块1分别采集第1路至第n路电流互感器输出电压瞬时值i

作为一种具体示例，步骤2中，相电流有效值计算模块2进行有效值计算，得到各相电流有效值，具体如下：

相电流有效值计算模块2根据输入侧相电流取样模块1的输出进行均方根计算，计算公式为：

其中，n表示第n路APFC，T是采样周期，i是采样瞬时值。

作为一种具体示例，步骤3中，在相电流均值滤波模块3内进行不同路相同相电流均值滤波，具体如下：

相电流均值滤波模块3根据相电流有效值计算模块2输出的均方根计算I

作为一种具体示例，步骤4中，相电流对中偏差模块4分别将不同路的相同相电流与对应均值求差，获取每相电流有效值关于均值滤波结果的对中偏差，具体如下：

相电流对中偏差模块4根据相电流均值滤波模块3输出的有效值的算术平均值I

e

作为一种具体示例，步骤5中，误差缩放模块5进行可调节比例缩放，具体如下：

初始误差值为矢量，保留运算结果符号，表明每相电流的偏差程度和方向，然后将该初始误差值输出给误差缩放模块5进行比例缩放，计算公式为：

e'

其中比例系数k根据两路电流偏差随机取值，k＞0。

作为一种具体示例，步骤6中，瞬时电流值随机补偿模块6采用缩放后的对中偏差量对每相电流瞬时值进行随机补偿，动态调节不同路相电流分配，具体如下：

瞬时电流值随机补偿模块6采用误差缩放模块5输出的结果，补偿实际采样电流瞬时值，得到反向修正后的相电流，计算公式为：

i

使用反向修正后的电流值i

下面结合附图和具体实施例，对本发明进一步的详细说明。

实施例

本实施例以两相交错VIENNA整流器为例实施上述方法。

单路三相VIENNA整流器控制方程为：

上式中，i

结合图2，两相交错APFC的两个输入输出分别并联单路三相VIENNA整流器，构成两相交错VIENNA整流器，交错工作的主电路中功率MOSFET由于器件参数差异，分配到的工作电流必然不同，大功率工作时这个偏差足以导致大多数电流在一侧主电路流动，而另一侧很小，总电流在两个主电路之间分配不均，本方法通过误差变量，用有效值对中偏差反向补偿控制变量瞬时值，具体方法如下：

结合图3，输入侧相电流取样模块1的输入量是三相VIENNA整流器主电路电流互感器次级输出小信号电压，该电压与主电路电流基本呈线性关系。主功率电路电源是AC380V/50Hz三相输入，主功率电路输出是稳定的直流电压，主功率电路开关管动作由驱动电路控制，驱动信号占空比受控于控制芯片硬件输出，控制芯片软件通过采样电流互感器次级输出小信号电压，在芯片内部算法模块计算，得到驱动信号占空比。

步骤1、输入侧相电流取样模块1采集第一路电流互感器输出电压瞬时值i

步骤2、相电流有效值计算模块2根据输入侧相电流取样模块1的输出进行均方根计算，计算公式为：

其中，n表示第几路APFC，第一路是I

步骤3、相电流均值滤波模块3根据相电流有效值计算模块2输出I

步骤4、相电流对中偏差模块4根据相电流均值滤波模块3输出I

e

e

步骤5、初始误差值为矢量，保留运算结果符号，表明每相电流的偏差程度和方向，然后将该初始误差值输出给误差缩放模块5进行比例缩放，计算公式为：

e'

e'

比例系数k根据两路电流偏差随机取值，k＞0。

步骤6、瞬时电流值随机补偿模块6用误差缩放模块5输出的结果补偿实际采样电流瞬时值，得到修正后结果，计算公式为：

i

i

使用式(5.1)、式(5.2)中的反向修正后电流值i

以上仅为本发明的较佳实施例，并非用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。