功率因數(shù)校正(PFC)的數(shù)字控制方法

摘要：控制技術(shù)的數(shù)字化是開關(guān)電源的發(fā)展趨勢。相對于傳統(tǒng)的模擬控制技術(shù)，采用數(shù)字控制技術(shù)的功率因數(shù)校正（PFC）具有顯著的優(yōu)點。詳細(xì)討論了采用數(shù)字信號處理器（DSP）作為控制核心時的設(shè)計事項和方法，最后提出了數(shù)字控制技術(shù)有待解決的問題。

引言

電力電子產(chǎn)品的廣泛使用，對電網(wǎng)造成了嚴(yán)重的諧波污染。這使得功率因數(shù)校正（PFC）技術(shù)成為電力電子研究的一個熱點。功率因數(shù)校正的目的，就是采用一定的控制方法，使電源的輸入電流跟蹤輸入電壓，功率因數(shù)接近為1。傳統(tǒng)上，模擬控制在開關(guān)電源應(yīng)用中占據(jù)了主導(dǎo)地位[1]。隨著高速度，廉價的數(shù)字信號處理器（DSP）的出現(xiàn)，在開關(guān)電源中使用數(shù)字控制已成為發(fā)展的趨勢[2][3][4][5][6]。

本文對實現(xiàn)PFC的模擬控制方法和數(shù)字控制方法進(jìn)行了比較，介紹了采用數(shù)字控制的獨特優(yōu)點。詳細(xì)討論了采用數(shù)字信號處理器作為控制核心時的設(shè)計事項和方法。

1 PFC模擬控制和數(shù)字控制的比較

功率因數(shù)校正的模擬控制方法已經(jīng)使用了多年，也有現(xiàn)成的商業(yè)化集成電路芯片（比如TI/Unitrode的UC3854，F(xiàn)airchild的ML4812，STmicroelectronics的L6561等）。圖1(a)是基于UC3854的模擬控制電路結(jié)構(gòu)方框圖。電路采用平均電流控制方式，通過調(diào)節(jié)電流信號的平均幅度來控制輸出電壓。整流線電壓和電壓誤差放大器的輸出相乘，建立了電流參考信號，這樣，這個電流參考信號就具有輸入電壓的波形，同時，也具有輸出電壓的平均幅值。PFC的模擬控制方法簡單直接。但是，控制電路的元器件比較多，電路適應(yīng)性差，容易受到噪聲的干擾，而且調(diào)試麻煩。因此，模擬控制有被數(shù)字控制取代的趨勢。

圖1(b)是PFC的數(shù)字控制原理框圖。類似于模擬方法，使用了兩個控制環(huán)路：電壓環(huán)和電流環(huán)。電壓環(huán)通過調(diào)節(jié)平均輸入電流來控制直流總線電壓，電流環(huán)控制交流輸入電流使之跟蹤輸入電壓�？刂七^程由DSP完成，通過DSP的軟件來實現(xiàn)電流和電壓的調(diào)節(jié)。

數(shù)字控制方法具有以下幾個優(yōu)點：

1）通過軟件調(diào)整控制參數(shù)，比如，增益和帶寬，從而使系統(tǒng)調(diào)試很方便；

2）大量控制設(shè)計通過DSP來實現(xiàn)，而用模擬控制器是難以實現(xiàn)的；

3）在實際電路中，使用數(shù)字控制可以減少元器件的數(shù)量，從而減少材料和裝配的成本；

4）DSP內(nèi)部的數(shù)字處理不會受到電路噪聲的影響，避免了模擬信號傳遞過程中的畸變、失真，從而控制可靠；

5）如果將網(wǎng)絡(luò)通信和電源軟件調(diào)試技術(shù)相結(jié)合，可實現(xiàn)遙感、遙測、遙調(diào)。

現(xiàn)在，數(shù)字控制PFC方法已經(jīng)在深入研究。文獻(xiàn)[7]提出了一個基于模擬儀器公司ADMC401的數(shù)字控制PFC方案，如圖2所示。為了實現(xiàn)數(shù)字控制，模擬控制變量〔包括輸入電流iL（t），輸入電壓vin（t）和輸出電壓vo（t）〕必須轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。將模擬控制變量除以他們相應(yīng)的參考值（，和），得到相對值,再由ADC變換器將獲得的相對值轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。其中iL,n，vin,n，vo,n分別表示相應(yīng)的第n個采樣值。

數(shù)字控制器包括一個電流環(huán)和一個電壓環(huán)。對于電流環(huán)，將指令輸入電流減去輸入電流iL,n所得的電流誤差ie,n輸入到電流環(huán)數(shù)字PI控制器。最后，將控制器輸出的占空比Dn輸入到PWM產(chǎn)生單元，控制開關(guān)S的通斷。對于電壓環(huán)，PFC變換器的輸入電導(dǎo)期待值ge,n與輸入電壓vin,n相乘，得到指令輸入電流iL,n＊。

2 數(shù)字控制的實現(xiàn)

在實現(xiàn)一個電力電子系統(tǒng)的實際數(shù)字控制器時，需要考慮大量的因素，比如，控制處理器的選擇，采樣算法和采樣頻率的確定，PWM信號的產(chǎn)生，控制器和功率電路之間的連接，硬件設(shè)計和控制算法的軟件實現(xiàn)等。這些因素都會對系統(tǒng)的性能產(chǎn)生很大影響，需要細(xì)心設(shè)計和實際實驗。

2.1 微處理器的選擇

在設(shè)計控制系統(tǒng)時，微處理器的選擇需要考慮很多的因素，諸如功能，價格，硬件設(shè)計的簡單性和軟件支持等�，F(xiàn)在，已經(jīng)有多種內(nèi)嵌有PWM單元和A/D轉(zhuǎn)換等控制外設(shè)的DSP芯片可供選擇(比如TI的TMS320C2XX系列，AD的ADMCXXX系列，Motorola的DSP56800等)。以TI公司的TMS320C2XX系列為例，它擁有很多良好的特性，比如，多個獨立可編程的時鐘，50ns指令周期，16位并聯(lián)乘法器，兩通道多路復(fù)用的10位A/D轉(zhuǎn)換器，還有片內(nèi)RAM和EEPROM等。這使得它成為實現(xiàn)功率變換系統(tǒng)數(shù)字控制的首選。如果需要進(jìn)一步降低成本，可以選擇STmicro?controller的8位DSPST52x420。

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