并聯(lián)交錯(cuò)在數(shù)字功率因數(shù)校正中的應(yīng)用

張明棟　沈伊慧　黃艷軍　王杰

摘要：本文給出了一種數(shù)字控制的單相功率因數(shù)校正（PFC）方案。主電路采用并聯(lián)交錯(cuò)拓?fù)?，減小了系統(tǒng)輸入電流紋波?？刂葡到y(tǒng)采用數(shù)字算法構(gòu)建PI調(diào)節(jié)器。為提高系統(tǒng)控制精度，考慮了數(shù)字延遲和采樣保持等過程。用一款樣機(jī)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)結(jié)果，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性。

關(guān)鍵詞：數(shù)字控制;功率因數(shù)校正;PI

中圖分類號：TP391.41 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）03-0060-01

為提高電能質(zhì)量，目前用電設(shè)備輸入側(cè)廣泛采用功率因數(shù)校正（Power Factor Correction，簡稱PFC）技術(shù)。模擬電路實(shí)現(xiàn)的PFC技術(shù)簡單，成本較低，但是存在一定的缺陷，即控制電路受主回路參數(shù)影響較大，適應(yīng)范圍小。數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)PFC相對而言較為復(fù)雜且成本較高，但隨著數(shù)字控制技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字控制PFC技術(shù)的應(yīng)用日臻成熟。目前廣泛采用的數(shù)字控制模型，針對控制系統(tǒng)的PI補(bǔ)償器參數(shù)整定還是基于主電路的小信號模型，缺乏對控制系統(tǒng)本身采樣保持和計(jì)算延遲等過程的考慮。本文建立了系統(tǒng)采樣保持和計(jì)算延遲的數(shù)學(xué)模型，并利用Z變換在離散域?qū)?shù)字PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行參數(shù)整定，取得了比較精確的控制模型。最后，通過一款樣機(jī)驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性和設(shè)計(jì)的可行性。

1 并聯(lián)交錯(cuò)拓?fù)浼靶⌒盘柲Ｐ?/p>

1.1 并聯(lián)交錯(cuò)PFC

圖1所示是本系統(tǒng)所采用的并聯(lián)交錯(cuò)主電路及數(shù)字控制器的原理。

主電路采用并聯(lián)交錯(cuò)（Interleaved）拓?fù)?。并?lián)交錯(cuò)將N（N≥2）路Boost電路并聯(lián)，各路開關(guān)管驅(qū)動波形相位彼此相差。采用并聯(lián)交錯(cuò)可以顯著減小儲能電感體積和輸入電流紋波。此外，并聯(lián)交錯(cuò)能夠在相同開關(guān)頻率的情況下顯著提高轉(zhuǎn)換效率[1]?？刂苹芈酚蓡纹琈CU實(shí)現(xiàn)模數(shù)采集和PWM生成，減小了電路體積并有效提高了控制算法的靈活性。下面分別對主回路和控制回路進(jìn)行數(shù)字化建模。

1.2 主電路建模

Boost電路的小信號模型如圖2[2]：

（1）電流環(huán)傳遞函數(shù)。電流控制環(huán)的輸入是電感電流，輸出為PWM占空比，傳遞函數(shù)的基本形式是電流小信號與占空比小信號的比值。電流環(huán)的交流小信號傳遞函數(shù)為：? ? ? （1）

（2）電壓環(huán) 傳遞函數(shù)：? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

其中，? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

（3）采樣-保持（S&H）延遲。采樣保持過程可以用零階保持器來描述[3]。當(dāng)信號在時(shí)刻被采樣并保持一個(gè)時(shí)間后輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果，輸出如下：

（4）

這里u（t）是單位階躍函數(shù)。對公式4進(jìn)行拉普拉斯變換，得到：

（5）

（4）算法執(zhí)行延遲。用表示算法執(zhí)行所帶來的控制環(huán)延遲，稱為計(jì)算延遲。離散系統(tǒng)的計(jì)算延遲可利用單位沖擊響應(yīng)來描述：? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （6）

因此計(jì)算延遲的傳遞函數(shù)如下：? ? ? ? ? ? （7）

2 控制系統(tǒng)參數(shù)整定

控制環(huán)包括電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)。電壓外環(huán)的作用是按預(yù)設(shè)給出穩(wěn)定的輸出電壓，保證電壓不隨負(fù)載變化而產(chǎn)生突變，電流內(nèi)環(huán)的作用是使電流跟蹤參考信號，即同相的交流正弦信號。為保證電感電流負(fù)載平衡，添加了電流平衡補(bǔ)償器。記為積分飽和修正系數(shù)，表達(dá)式如下：

（8）

上式中的，是待整定的PI控制器系數(shù)，根據(jù)自動控制原理中有關(guān)系統(tǒng)穩(wěn)定性補(bǔ)償?shù)姆椒ㄔ赯域加以確定，采用MATLAB求解，此處不再具體展開。

3 系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

設(shè)計(jì)了一款400W樣機(jī)系統(tǒng)，基于上述模型計(jì)算得到的控制系數(shù)編寫控制算法，在滿載時(shí)輸入電壓及校正后的輸入電流波形如3圖。實(shí)際結(jié)果表明，控制系統(tǒng)參數(shù)整定合理，功率因數(shù)可達(dá)到0.99。

4 結(jié)語

采用數(shù)字控制的并聯(lián)交錯(cuò)PFC轉(zhuǎn)換器，控制環(huán)采用小信號建模，主回路通過相差180°相位的PWM驅(qū)動波形及均流環(huán)節(jié)，能夠很好的達(dá)到功率因數(shù)校正的效果，滿載功率因數(shù)可達(dá)0.99。

參考文獻(xiàn)

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Application of interleaving topology in PFC Based on Digital Control

ZHANG Ming-dong，SHEN Yi-hui，HUANG Yan-jun，WANG Jie

（Shanghai Areospace Electronic Technology Institute，Shanghai? 201109）

Abstract：This paper presents a digital controlled single-phase power factor correction （PFC） design. The interleaving topology is applied to the main circuit to reduce the input current ripple. A digital algorithm is introduced to construct a PI regulator for the control system. To determine the parameters of the PI controllers， In order to improve the control precision， both the digital delay and sample & hold process are take into consideration. To verify the correctness of the design， a prototype is given.

Key words：digital control; power factor correction; PI