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(shì)。相對(duì)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(diǎn)。詳細(xì)討論了采用數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）作為控制核心時(shí)的設(shè)計(jì)事項(xiàng)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(duì)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(gè)熱點(diǎn)。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(jià)的數(shù)字信號(hào)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(shì)[2][3][4][5][6]。

本文對(duì)實(shí)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(dú)特優(yōu)點(diǎn)。詳細(xì)討論了采用數(shù)字信號(hào)處理器作為控制核心時(shí)的設(shè)計(jì)事項(xiàng)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(hào)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(hào)，這樣，這個(gè)電流參考信號(hào)就具有輸入電壓的波形，同時(shí)，也具有輸出電壓的平均幅值。PFC的模擬控制方法簡(jiǎn)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(shì)。

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(gè)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(shí)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(gè)優(yōu)點(diǎn)：

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(jì)通過DSP來實(shí)現(xiàn)，而用模擬控制器是難以實(shí)現(xiàn)的；

3）在實(shí)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(huì)受到電路噪聲的影響，避免了模擬信號(hào)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(shí)現(xiàn)遙感、遙測(cè)、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(gè)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(shí)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(duì)值,再由ADC變換器將獲得的相對(duì)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(gè)采樣值。

數(shù)字控制器包括一個(gè)電流環(huán)和一個(gè)電壓環(huán)。對(duì)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(duì)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(shí)現(xiàn)

在實(shí)現(xiàn)一個(gè)電力電子系統(tǒng)的實(shí)際數(shù)字控制器時(shí)，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(hào)的產(chǎn)生，控制器和功率電路之間的連接，硬件設(shè)計(jì)和控制算法的軟件實(shí)現(xiàn)等。這些因素都會(huì)對(duì)系統(tǒng)的性能產(chǎn)生很大影響，需要細(xì)心設(shè)計(jì)和實(shí)際實(shí)驗(yàn)。

2.1 微處理器的選擇

在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)，微處理器的選擇需要考慮很多的因素，諸如功能，價(jià)格，硬件設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單性和軟件支持等。現(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(gè)獨(dú)立可編程的時(shí)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(shí)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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