使用DSC简化功率因数校正.doc

摘要：本文描述了运用平均电流模式控制技术来设计和实现全数字功率因数校正(PFC)电路的方法。所述设计中数字信号控制器(DSC)的输入信号与通过升压电感的电流、升压转换器输出电容两端的直流母线电压，以及经整流的交流输入电压成正比，由DSC提供脉宽调制信号来控制PFC开关的导通时间。此技术旨在简化PFC，因而可整合于数字电源转换和电机控制应用中。关键词： PFC；THD；误差补偿器；电压前馈；DSC引言许多应用需要直流电压源，因此，具有容性滤波器的整流器是必备的。但是，这样会导致出现不连续的瞬间电流尖峰，使网络损耗、谐波总量和辐射干扰都显著增大。对于高于500W的功率级应用，这些问题更为突出。通常，交流输入电源的输出功率由两部分组成：有功功率和无功功率。所需的总功率容量称为视在功率，包括有功功率和无功功率。功率因数(PF)是一个表征任意系统所使用的工作功率占总视在功率比重的参数。图1 与dsPIC DSC接口的PFC级及其所需元件的框图PFC的目标是使电源的输入相当于一个简单的电阻，提高配电系统的工作效率。本文主要讲述使用DSC来学习、设计和实现PFC。使用16位定点dsPIC DSC来阐述PFC的软件实现。另外还介绍了离散型误差补偿器并给出其设计示例，提供了实验室测试结果及波形。如何使电源转换器呈现阻性PFC具有低频功能，因此，若采用滤波机制来滤除高频纹波，则转换器无需在所有频率都呈现阻性。有源PFC必须控制输入电流和输出电压。电流的波形与整流后的线电压一致，因此转换器的输入将呈现阻性。通过改变电流编程信号的平均幅值可以控制输出电压。图1显示了与dsPIC DSC接口的PFC级及其所需元件的框图。PFC级采用交流-直流转换器，将交流输入电压转换为直流电压，并保持正弦输入电流的PF处于高值。实现控制算法需要三个输入信号。使用DSC实现PFC本文以dsPIC30F6010A DSC为例，以数字化方式实现升压型PFC电路结构。图2显示了该PFC方案的框图，其中有源PFC控制升压转换器的输出直流电压以及流经电感的电流运用的是平均电流模式控制技术。通过对整流后的输入电压、电压误差补偿器的输出及电压前馈补偿器的输出求积，以数字方式计算电流信号。这里，电流信号的波形与整流后输入电压的波形一致。电流信号应尽可能与整流后的输入电压一致，以保证高PF值。电压前馈补偿器能够补偿输入电压相对其标称值发生的变化，对于维持恒定的输出功率必不可少。用来实现PFC的三个主要控制模块是电压误差补偿、电压前馈补偿和电流误差补偿模块。此处k1和k2为硬件增益，作为输出电压Vdc和输入电压Vac的电阻分压器。k3是硬件电流增益。图3为控制环框图。表1给出了系统设计参数，基于这些参数，硬件增益定义如下：表2、表3和表4给出了各输入量的数字范围及对应输入量的输出基本值。电流误差补偿器图3中，控制电路的内环为电流环。电流环的输入为参考电流信号IACREF和实际电感电流IAC。电流误差补偿器旨在产生控制输出，使得电感电流IAC跟随参考电流IACREF。电流环的运行速度比电压环快很多。电流补偿器的带宽较高，以便正确跟踪频率为输入频率两倍的半波正弦信号。当开关频率约为100kHz时，电流补偿器的带宽一般为5kHz10kHz。电流控制器GC产生的占空比值经过适当的调整可用来门控驱动PFC MOSFET。图2 使用dsPIC30F6010A DSC实现PFC图3 控制环框图电流补偿器中占空比与电感电流的传递函数关系以及零极点的位置由以下公式确定：其中：fni=800Hz，表示电流PI控制器零点的位置。校正项 kci由下式给出：因此，对于电流误差补偿器：比例常数kpi=1.177-2410(Q 11格式)积分常数kIi=0.1479-4846(Q 15格式)校正常数kci=0.12566-4117(Q 15格式)PI控制器可由数字方式实现，如以下代码片段所示。定义了结构“PIParm”，表示数字PI控制器。该函数的输入量为参考值、实际测量值和增益常数。该函数的输出保存于变量“Out”中。void CalcPI(tPIParm *pParm) Err = InRef InMeas; U = Sum + Kp * Err; if( U Outmax ) Out = Outmax; else if( U 27648(Q 10格式)积分常数kIv=0.042411-1390(Q 15格式)校正常数kcv=0.00157-51.47(Q 15格式)电压前馈补偿器决定IACREF的积(VAC VPI)随电压的变化成正比变化。然而，要在输入电压降低的情况下保持输出功率恒定，则应成比例地增大IACREF。采用输入电压前馈技术的目的是通过控制负载保持输出功率恒定。该补偿器也能以数字方式实现，方法是计算输入线电压的平均值，对该平均值求平方，然后将得到的结果作为除数与输入参考电流相除，并将最终求得的电流信号馈送到电流误差补偿器。其中：T=整流后输入电压频率的倒数Ts=数字采样频率的倒数N=采样次数图4 PFC启动特性图5 电感电流波形结果和讨论本文实现了400W升压PFC转换器在线路和负载条件变化时的数字控制机制，提供了可靠的估计算法。图4和图5