一种直流环节的有源滤波器的控制方式

摘要

本发明公布了一种直流环节的有源滤波器的控制方式，该方式提出采用控制有源滤波器输出电压最低值或者最高值的方法，分别达到提高主变换器轻载情况下的效率和提高主变换器动态性能的目的；将峰值检测电路输出值与有源滤波器输出电压最低值或者最高值基准比较后，产生误差信号送入电压调节器；检测有源滤波器直流环节中的低频交流电流，与电压调节器的输出信号相加，产生电流基准信号；检测有源滤波器的输入电流，与电流基准信号比较，产生误差信号送入电流调节器，得到调制信号；送入PWM调制电路，得到开关管的驱动信号。

权利要求

1.一种直流环节的有源滤波器的控制方式，其特征在于：

有源滤波器采用双闭环控制，电流内环跟踪所需滤除的低频脉动电流，电压外环控制有源滤波器输出电压的最低值或者最高值，具体控制方式为：利用电压采样电路检测有源滤波器的输出电压，用一个固定的值与采样得到的输出电压相减，将其结果送入峰值检测电路；或者直接将采样得到的输出电压送入峰值检测电路；

前者为控制有源滤波器输出电压最低值的控制方式，后者为控制有源滤波器输出电压最高值的控制方式；

将峰值检测电路的输出值与有源滤波器输出电压最低值或者最高值基准进行比较后，产生误差信号送入电压调节器；

利用电流采样电路检测有源滤波器直流环节中的电流，滤除其直流分量后，与电压调节器的输出信号经过加法电路相加，产生电流内环的基准信号；

检测有源滤波器的输入电流，与电流内环的基准信号进行比较，产生误差信号送入电流调节器，从而得到调制信号；将调制信号送入PWM调制电路，并通过驱动电路得到开关管的驱动信号。

2.根据权利要求1所述的一种直流环节的有源滤波器的控制方式，其特征在于：该方式提供一种有源滤波器，所述有源滤波器为Buck/Boost双向变换器。

3.根据权利要求2所述的一种直流环节的有源滤波器的控制方式，其特征在于：所述Buck/Boost双向变换器具体包括电感、两个开关管、储能电容，电感的一端为双向变换器的一个输入端，电感的另一端分别连接两个开关管的一端；其中第一开关管的另一端连接双向变换器的另一个输入端以及储能电容的一端，第二开关管的另一端连接储能电容的另一端。

4.根据权利要求3所述的一种直流环节的有源滤波器的控制方式，其特征在于：该有源滤波器并联在常规供电电路的主变换器直流环节，用来减小直流环节所需的滤波电容的电容值。

5.根据权利要求4所述的一种直流环节的有源滤波器的控制方式，其特征在于：当所述主变换器的瞬时输入功率高于脉动输出功率时，有源滤波器工作于Boost模式；

当所述主变换器的瞬时输入功率低于输出功率时，有源滤波器工作于Buck模式。

说明书

一种直流环节的有源滤波器的控制方式

技术领域

[0001] 本发明涉及一种直流环节的有源滤波器的控制方式，属于功率电子变换器的范畴。

背景技术

[0002] 在功率电子变换器领域，很多场合中都需要抑制直流环节中的电压脉动和电流脉动。例如，固态雷达发射机的供电电源需要提供低频的脉动电流，其输入功率要求尽量为平直形式，而输出为低频脉动功率，如果要求该脉动功率全部由输出储能电容承担，为了保证输出电压的脉动足够小，需要大容量的输出储能电容，这样会大幅地增加电源的体积和重量。又如，单级式PWM整流器和交流供电的LED驱动电源中，输入功率含有较大的两倍输入频率的脉动分量，而瞬时输出功率近似恒定，为了匹配瞬时输入功率和输出功率，需要使用容量较大的储能电容，这个电容一般选用电解电容。而电解电容寿命较低，与系统整体寿命不匹配。根据以上的分析，对于在直流环节中用于承担低频脉动功率的大容量电解电容，需要采用一定的方法来减小其容值，甚至去除电解电容。

[0003] 通过在直流环节并联有源滤波器，利用有源滤波器来吸收低频的脉动功率，可以大幅度减小直流母线上所需的电容容值。这里将直流端口看作为有源滤波器的输入端口，其基本原理是从变换器中检测出需要滤除的低频谐波电流，然后控制有源滤波器的输入电流与其相等，从而使其提供系统中的低频脉动功率，起到减小直流母线电容的目的。

[0004] 对于采用Buck/Boost双向变换器的有源滤波器，当主变换器的瞬时输入功率高于输出功率时，有源滤波器工作于Boost模式，将多余的能量储存到其输出电容中；当瞬时输入功率低于输出功率时，有源滤波器工作于Buck模式，输出端电容释放能量。该有源滤波器采用双闭环控制，电流内环控制其输入电流跟踪需要滤除或需要提供的低频脉动电流；为了保证有源滤波器的正常工作，需要保证其输出电压始终高于输入端的电压，因此需要加入一个电压外环对其进行控制。已有的方案为控制输出电压的平均值，即采样输出电压，与平均值基准进行比较，得到的电压误差经过电压调节器之后叠加到采样得到的低频脉动电流信号上，作为电流内环的给定。当变换器负载降低时，由于有源滤波器输出电压的平均值与输入电压相比仍然较高，使得有源滤波器存在较大的开关损耗，影响变换器轻载时的效率。另外，由于电压外环带宽较低，使得变换器的动态响应较慢，在负载为低频脉动形式的应用场合，输出电压仍然存在一定的跌落和过冲，因此有必要改善有源滤波器的控制方式。

发明内容

[0005] 本发明的目的是针对并联在直流环节上的用来替代较大容量电解电容的有源滤波器，提出采用控制有源滤波器输出电压最低值以及最高值的方法，提高变换器轻载情况下的效率并且减小变换器在突加负载时输出电压的动态跌落。

[0006] 本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

[0007] 一种直流环节的有源滤波器的控制方式，

[0008] 有源滤波器采用双闭环控制，电流内环跟踪所需滤除的低频脉动电流，电压外环控制有源滤波器输出电压的最低值或者最高值，具体控制方式为：

[0009] 利用电压采样电路检测有源滤波器的输出电压，用一个固定的值与采样得到的输出电压相减，将其结果送入峰值检测电路；或者直接将采样得到的输出电压送入峰值检测电路；前者为控制有源滤波器输出电压最低值的控制方式，后者为控制有源滤波器输出电压最高值的控制方式；

[0010] 将峰值检测电路的输出值与有源滤波器输出电压最低值或者最高值基准进行比较后，产生误差信号送入电压调节器；

[0011] 利用电流采样电路检测有源滤波器直流环节中的电流，滤除其直流分量后，与电压调节器的输出信号经过加法电路相加，产生电流内环的基准信号；

[0012] 检测有源滤波器的输入电流，与电流基准信号进行比较，产生误差信号送入电流调节器，从而得到调制信号；将调制信号送入PWM调制电路，并通过驱动电路得到开关管的驱动信号。

[0013] 该方法提供一种有源滤波器，所述有源滤波器为Buck/Boost双向变换器。

[0014] 所述Buck/Boost双向变换器具体包括电感、两个开关管、储能电容，具体的，电感的一端为双向变换器的一个输入端，电感的另一端分别连接两个开关管的一端；其中第一开关管的另一端连接双向变换器的另一个输入端以及储能电容的一端，所述第二开关管的另一端连接储能电容的另一端。

[0015] 该有源滤波器并联在常规供电电路的主变换器直流环节，用来减小直流环节所需的滤波电容的电容值。

[0016] 当所述主变换器的瞬时输入功率高于脉动输出功率时，有源滤波器工作于Boost模式；当所述主变换器的瞬时输入功率低于输出功率时，有源滤波器工作于Buck模式。

[0017] 当采用控制有源滤波器输出电压最低值的方法时，利用电压采样电路检测有源滤波器的输出电压，用一个固定的值与采样得到的输出电压相减，将其结果送入峰值检测电路；

[0018] 将峰值检测电路的输出值与有源滤波器输出电压最低值基准进行比较后，产生误差信号送入电压调节器；

[0019] 利用电流采样电路检测有源滤波器直流环节中的电流，滤除其直流分量后，与电压调节器的输出信号经过加法电路相加，产生电流内环的基准信号；

[0020] 检测有源滤波器的输入电流，与电流基准信号进行比较，产生误差信号送入电流调节器，从而得到调制信号；将调制信号送入PWM调制电路，并通过驱动电路得到开关管的驱动信号。

[0021] 当采用控制有源滤波器输出电压最高值的方法时，利用电压采样电路检测有源滤波器的输出电压，将采样得到的输出电压送入峰值检测电路；

[0022] 将峰值检测电路的输出值与有源滤波器输出电压最高值基准进行比较后，产生误差信号送入电压调节器；

[0023] 利用电流采样电路检测有源滤波器直流环节中的电流，滤除其直流分量后，与电压调节器的输出信号经过加法电路相加，产生电流内环的基准信号；

[0024] 检测有源滤波器的输入电流，与电流基准信号进行比较，产生误差信号送入电流调节器，从而得到调制信号；将调制信号送入PWM调制电路，并通过驱动电路得到开关管的驱动信号。

[0025] 本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

[0026] 当变换器负载变轻时，有源滤波器输出电压随着负载的变轻而自适应地降低，而如果采用传统的控制输出电压平均值的方法，有源滤波器输出电压在轻载时仍然保持较高的值。因此本发明提出的控制有源滤波器输出电压最低值的方法可以有效减小轻载时有源滤波器开关管的开关损耗，提高变换器的轻载效率。

[0027] 当采用控制有源滤波器输出电压最高值的方法时，与传统的控制输出电压平均值的方法相比，当变换器开机之后突加负载时，由于电压外环电压基准值更高，使得电压环的输出相对更高，从而得到更高的电流环基准，使得有源滤波器能够提供更多的瞬时脉动功率，因此可以有效减小突加负载时主变换器输出电压的跌落，提高变换器的动态响应性能。

附图说明

[0028] 附图1是脉冲负载情况下应用有源滤波器时变换器系统的结构示意图；

[0029] 附图2是有源滤波器的电路原理图；

[0030] 附图3是有源滤波器的主要工作波形；

[0031] 附图4是本发明中控制有源滤波器输出电压最低值方法的控制框图；

[0032] 附图5是本发明中控制有源滤波器输出电压最高值方法的控制框图；

[0033] 附图6是本发明中采用的峰值检测电路的电路原理图；

[0034] 其中，Vin为整个变换器的直流输入电压、Co为输出滤波电容、io为脉冲负载电流、Io为其平均值、vo为输出电压；Vo为有源滤波器的近似输入电压、La和Ca分别为有源滤波器的输入电感和储能电容、Q1和Q2为有源滤波器的两只开关管；ia和va分别为有源滤波器的输入电流和输出电压、ΔVa、Va_min、Va_max和Va分别为输出电压的脉动值、最低值、最高值和平均值、Q1_dr和Q2_dr分别为开关管Q1和Q2的驱动信号、R1和R2为有源滤波器输出电压采样电阻；Gv(s)和Gc(s)分别为电压调节器和电流调节器、Va_min_ref和Va_max_ref分别为两种方案下有源滤波器输出电压最低值基准和最高值基准、ia_ref为脉冲负载电流滤除直流分量后得到的电流基准、D1、D2为组成峰值检测电路的二极管、Rp、Rf为峰值检测电路的电阻、Cp为峰值检测电路的电容。

具体实施方式

[0035] 本发明提供一种直流环节的有源滤波器的控制方式，为使本发明的目的，技术方案及效果更加清楚，明确，以及参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

[0036] 下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：

[0037] 附图1给出了采用有源滤波器来减小直流环节电容的一个具体应用场合，其负载电流为低频脉冲形式，为了保证输出电压的脉动足够小，需要一个储能单元来提供负载所需的脉动功率，而为了减小输出端的储能电容的大小，可以采用在输出端并联一个有源滤波器的方式，利用该有源滤波器来提供脉动功率。需要指出的是，本发明适用的场合不限于脉冲负载的情况，凡是在变换器的直流环节并联有源滤波器用来减小滤波电容的场合，均可以采用本发明中的控制方法。

[0038] 附图2给出了本发明采用的有源滤波器的电路原理图，其拓扑为一个Buck/Boost双向变换器，上述Buck/Boost双向变换器具体包括电感、两个开关管、储能电容，具体的，电感的一端为双向变换器的一个输入端，电感的另一端分别连接两个开关管的一端；其中第一开关管的另一端连接双向变换器的另一个输入端以及储能电容的一端，所述第二开关管的另一端连接储能电容的另一端。

[0039] 当主变换器的输入功率高于瞬时的脉动输出功率时，有源滤波器工作于Boost模式，将多余的能量存储到储能电容Ca中，当输入功率低于瞬时输出功率时，有源滤波器工作于Buck模式，Ca释放能量，提供不足部分功率，从而采用有源的方式处理了负载中的脉动功率。对应附图3中的工作波形图可以看出，有源滤波器提供负载脉冲电流io中的交流分量ia，当ia > 0时，Ca释放能量，电压降低；当ia < 0时，Ca吸收能量，电压上升。

[0040] 附图4给出了本发明所提出的控制有源滤波器输出电压最低值方法的控制框图。它由减法电路、峰值检测电路、电压调节器、PWM调制器以及驱动电路组成。有源滤波器输出电压经过分压电阻网络R1、R2后得到电压采样信号va_f，再用一个固定的值Vset减去va_f，得到的值经过峰值检测电路得到输出电压最低值的反馈值Va_min_f，将其与电压最低值基准Va_min_ref比较作差后产生误差信号，再通过电压调节器Gv(s)产生输出信号vo_Gv，变换器的脉冲负载电流io滤除直流分量后得到ia_ref，ia_ref与vo_Gv相加，作为电流内环的基准，与采样得到的有源滤波器输入电流ia_f相比较，其误差信号ie再经过电流调节器Gc(s)得到调制信号vo_Gc，最后将vo_Gc通过PWM调制电路得到开关管Q1的控制信号Q1_dr，开关管Q2与Q1互补导通。

[0041] 附图5给出了本发明所提出的控制有源滤波器输出电压最高值方法的控制框图。它由峰值检测电路、电压调节器、PWM调制器以及驱动电路组成。有源滤波器输出电压经过分压电阻网络R1、R2后得到电压采样信号va_f，再经过峰值检测电路得到输出电压最高值的反馈值Va_max_f，将其与电压最高值基准Va_max_ref比较作差后产生误差信号，再通过电压调节器Gv(s)产生输出信号vo_Gv，变换器的脉冲负载电流io滤除直流分量后得到ia_ref，ia_ref与vo_Gv相加，作为电流内环的基准，与采样得到的有源滤波器输入电流ia_f相比较，其误差信号ie再经过电流调节器Gc(s)得到调制信号vo_Gc，最后将vo_Gc通过PWM调制电路得到开关管Q1的控制信号Q1_dr，开关管Q2与Q1互补导通。

[0042] 附图4和附图5中电压调节器的设计应使电压外环的带宽足够低，避免电压调节器输出中含有的低频分量给电流基准带来影响，因此电压调节器的设计应使得电压外环的截止频率远小于为所需滤除电流的频率。电流调节器的设计应使得电流环在低频段具有足够大的环路增益，以提高电流的跟踪能力，另外考虑抑制系统的开关频率次的纹波，电流环的截止频率应小于1/5的开关频率。

[0043] 附图6给出了峰值检测电路的连接方式，运放A1的同相输入端和运放A2的输出端分别为峰值检测电路的输入端和输出端，二极管D1的阳极和阴极分别连接运放A1的反相输入端和输出端，二极管D2的阳极和阴极分别连接运放A1的输出端和运放A2的同相输入端，Rp和Cp并联接在A2的同相输入端，Rf跨接在A1的反相输入端和A2的输出端。采用附图4中给出的控制有源滤波器输出电压最低值的控制方法时，当变换器负载变轻时，有源滤波器输出电压随着负载的变轻而自适应地降低，而如果采用传统的控制输出电压平均值的方法，有源滤波器输出电压在轻载时仍然保持较高的值。因此本发明提出的控制输出电压最低值的方法可以有效减小轻载时有源滤波器开关管的开关损耗，提高变换器的轻载效率。

[0044] 采用附图5中给出的控制有源滤波器输出电压最高值的控制方法，与传统的控制输出电压平均值的方法相比，当变换器开机之后突加负载时，由于电压外环电压基准值更高，使得电压环的输出相对更高，从而得到更高的电流环基准，使得有源滤波器能够提供更多的瞬时脉动功率，因此可以有效减小突加负载时主变换器输出电压的跌落，提高变换器的动态响应性能。

[0045] 可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。