一种基于占空比预估的单相PFC数字控制算法研究

1、一种基于占空比预估的单相PFC数字控制算法研究第l0卷第5期2007年5月奄涤艘石阙POWERSUPPLYTECHNOLOGIESANDAPPLICATIONSMay2007一种基于占空比预估的单相PFC数字控制算法研究杨靖,陈新(南京航空航天大学航空电源航空科技重点实验室,江苏南京210016)摘要:简要分析了传统的PFC数字控制算法的特点和缺乏,在此根底上对一种新型的PFC数字控制算法占空比预估法进行了详细的理论推导.此算法具有运算量相对较小,动态性能好等优点,特别适合高频场合.通过MATLAB仿真,验证了算法的正确性,并得到系统的控制参数初始值.然后,采用Freescale公司的MC56

2、F8323DSP芯片,设计了一套PFC数字控制系统,对新算法进行实现.关键词:功率因数校正;数字控制;数字信号处理DigitalControlSolutionforPowerFactorCorrectingBasedonDutyCyclePredictiveControl(NanjingUniversityofAeronautics&Astronautics,NanjingJiangsu210016,China)analyses,anewPFCdigitalcontrolsolutionnameddutycycleforecastingandit"sdetailedt

3、heoreticalderivationareMC56F8323producedbyFreescale.Thesystemrealizedthenewalgorithm,AndthecorrectofthisnewalgorithmisprovedbythesimulationofMATLAB.Keywords:digitalcontrol;PFC;DSP中图分类号:TM46文献标识码:A文章编号:02192713(2007)050017040引言功率因数校正技术(PFC)是电力电子产品满足绿色环保要求的必需手段,是提高用电质量的义和现实需求,是未来开关电源开展的关键技术之一.数字控制由于其控

4、制理论与实施手段的不断完善,且因为其具有高度集成化控制电路,精确的收稿Et期:20060815控制精度,以及稳定的_T=作性能,如今已成为电力电子学的一个重要研究方向.将功率因数校正技术和数字控制技术相结合是提高功率因数校正技术的重要手段.然而,目前普遍采用的PFC数字控制算法,是从模拟控制策略上移植过来的,并未最大限度地发挥数字控制的优势,因此,需要研究一些新型的控制策略,以最大限度地发挥数字控制的优势,提高系统的性法简单,动态性能好等特点,很好地弥补了传统算17第10卷第5期2007年5月它潦教石阂POWERSUPPLYTECHNOLOGIESANDAPPLICATIONSMav2007法

5、的缺乏.1传统PFC数字控制算法分析传统的PFC数字控制算法是从模拟控制模型算法的核心包括一个电压外环和一个电流内环,外加一个电流的基准给定计算,涉及了较多的乘节是一个逐渐消除误差的过程,因此调节速度相对较慢.图1传统PFC算法结构图2基于占空比预估的的PFC数字控制算法介绍传统算法由于算法相对复杂,计算量较大,因此运行完所有程序所需要的时问就比拟长,这限制了开关频率的提高,而高频化正是现代电力电子技术的开展趋势之一.另外,由于调节速度不够点,本文介绍一种基于占空比预估的新算法,这种算法相对简单,计算量较小,而且调节速度相对较快,很好地弥补了传统算法的缺乏,特别适合用于高频场合.由于Boost

6、拓扑具有对输入滤波器要求不高,对前级整流器呈现电流源特性等特点,因此,被广泛应用于PFC电路.下面针对Boost拓扑,对新算法进行理论推导.图2为Boost电路拓扑,做以下两个假定:(1)电路始终工作在连续模式;(2)开关频率远大于输入电压频率.由于开关频率远大于输入电压频率,因此,在一个开关周期内,输入电压可看作恒定不变.假设第n个开关周期的起始时刻为t,占空比为D,输入电压为i(n).那么当tn<t<t+时,开关管导通,如图3所示.当f+)<f<.时,开关18管关断,如图4所示.D图2Boost电路拓扑II+I+n)上f一TI图3开关

7、管导通时的等效电路i图4开关管关断时的等效电路对第n个周期进行分析,易得LLdiL=n)<fn+TDLddifL=in(n)一.fn+TJ9n<f<fn+I(2)图5为第n个周期的电感电流示意图.iL(n+1)=L(n)+Y(3)誓=(4)l,:(1一(5)将式(4)和式(5)代人式(3),化简得惦年)一_(6)由式(6)整理出D的表达式为×+(7)稳态时,V.=村,贝0务×+(8)研究与设计一种基于占空比预估的单相PFC数字控制算法研究iL(/'/l't(")图5电感电流示意图由式(8)可以看出,I,i(

8、n),D,(n+1),n)存在一个约束关系.利用这个约束关系,可在第n个周期开始时刻采样电感电流作为iL(n),第n个周期内任意时刻采样输入电压值作为I,i(n),控制量为n+1),我们希望在第n个开关周期结束时刻,iL(n+1)跟随基准,因此,将iL(n+1)耐代入式(8),即可求得在(n)和I,i(n)的初始条件下,要使得iL(n+1)跟踪给定所需的占空比.式(8)可化为Dn=Dl+D2(9)式中:Dl=L×业;rrefnVo-Vi(n)一I,.者一起作用,使得在每个开关周期结束时刻的电感电流跟踪给定,如图6所示.图6电感电流示意图式(10)给出了电流基准产生的方法,基准的幅值是

9、电压环调节器的输出,基准的形状是一个给定正弦表的读值,它与输入电压的波形同相位.n+1)=KHIsinmt(n+1)I(10)令彘,船贝0D=ir(n+1)+(n)+I,IdI,(n)(11)因此,我们可以得到此算法的算法框图如图7所示.与传统算法相比,此算法有以下两个优点.(1)此算法用D.和D:的计算代替了电流内环的计算,由于D.和D:计算是并行结构,可以同图7算法框图时进行,另外整个算法可以归结为一个电压环节的计算,两个乘法计算,三个加法计算,算法比拟简单,因此,计算时间大大小于传统算法.(2)根据第n个周期开始时的电感电流和输入电流,根据约束关系直接求得要在周期结束时候电感电流到达基准

10、所需要的占空比,理论上在一个周期内就消除了误差,调节速度比传统算法要快.3Matlab仿真验证为了验证算法的正确性,并且得到系统控制参数的初始值,本文用Matlab对此算法进行了仿电流波形,图9为输出电压波形.图8输入电压电流波形图9输出电压波形从波形可以看出,输入电流正弦化程度较高,在相位上根本和输入电压保持一致;输出电压最19第10卷第5期2007年5月奄涤般石周POWERSUPPLYTECHNOLOGIESANDAPPLICATIONSMav2007终稳定在380V.可见,新算法很好地实现了PFC电路提高功率因数和稳定输出电压两个目的,从而验证了新算法的可行性.4新型PFC算法的工程应用

11、本文用Freescale公司的MC56F8323DsP芯片,设计了一套PFC数字控制系统,对新算法进行率管s,升压二极管D,储能电感L及输出电容组成,输入侧还包括输入EMI滤波和二极管全波整流电路.图10系统框图在此PFC数字控制系统中,数字控制器采样全波整流电压_in,输入电流Lin和输出直流母线电压VG保证了输出直流电压稳压在给定值,电压环的输出决定了电感电流给定的幅值,数字电流正弦波形给定决定了电感电流给定的形状,保证了输入电流的正弦化,同时输入电压的过零点采样决定了输入电流的过零相位,保证了电流与电压相位的一致.通过D.,D和D的计算,确定所需的占制波形,最终到达输入功率因数校正并稳定

12、输电压的目的.基于DSP的PFC控制采用中断效劳响应结构,主要的中断效劳程序包括:电压环定时器周期AD,PWM,定时器等模块的初始化T作,然后进入一个空循环等待中断发生;电压环定时器周期中断的主要功能是完成电压环计算;重载周期中断主要根据给定算法计算出所需占空比,并根据计算结果重载占空比,刷新PWM输出模值,动态调节PWM通道的占空比输出.在以上条件下,制作了一台500W样机,在输入电压为220V,输出功率为500W的工作条件下,功率因数PF到达0.996,THD为6.208%,到达设计要求,证实了算法和电路设计的可行性.以看输入电流的波形和相位都根本跟踪输入电压,获得了很好的功率因数校正结果.TekRun100KS/sHlResf,f,t,/,/,图11采用数字正弦给定算法的试验结果5结语占空比预估法与传统PFC数字控制算法相比较,具有算法简单,动态响应快等优点,因此适用于对动态响应要求较高的高频场合.参考文献1】丁道宏.电力电