基于電壓電流雙環(huán)控制的數(shù)字PFC電路設(shè)計(jì)研究

楊運(yùn)峰 高文根 何睿

摘要：設(shè)計(jì)了一種基于TMS320F28335型DSP處理器的電壓電流雙環(huán)控制的數(shù)字PFC電路，重點(diǎn)研究了電壓電流雙閉環(huán)數(shù)字控制回路的設(shè)計(jì)，給出了具體PI參數(shù)計(jì)算例程，最后在Matlab/Simulink中建立了該雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的仿真模型，并對(duì)其結(jié)果進(jìn)行了研究分析.

關(guān)鍵詞：數(shù)字PFC;雙環(huán)控制;PI參數(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：TM13;TM461? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1673-260X（2019）04-0024-04

引言

傳統(tǒng)的功率因數(shù)校正技術(shù)（PFC）主要通過(guò)模擬控制實(shí)現(xiàn)，該方法雖然成熟可靠但隨著開(kāi)關(guān)電源逐步朝著高頻化小型化發(fā)展，模擬控制方式帶來(lái)的器件多，控制復(fù)雜等缺點(diǎn)逐漸顯現(xiàn)[1-2].如今隨著數(shù)字控制的不斷發(fā)展，越來(lái)越多的電力電子裝置開(kāi)始使用數(shù)字處理器（DSP）控制方式，它具有體積小、控制外圍電路簡(jiǎn)單、控制方式靈活等優(yōu)點(diǎn).

TMS320F28335具有150MHz的高速處理能力，具備32位浮點(diǎn)處理單元，用戶(hù)可快速編寫(xiě)控制算法而無(wú)需在處理小數(shù)操作上耗費(fèi)過(guò)多的時(shí)間和精力，與前代DSP相比，平均性能提高50%[3].文章闡述了基于DSP的功率因數(shù)校正電路的原理，以Boost-PFC電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為例實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制PFC電路的參數(shù)計(jì)算，元器件的選型，和作為數(shù)字實(shí)現(xiàn)功率因素最重要的環(huán)節(jié)即電壓電流雙環(huán)控制的PI參數(shù)整定，最后通過(guò)仿真驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性.

1 數(shù)字PFC電路結(jié)構(gòu)與工作原理

該P(yáng)FC電路的主要組成部分由以下幾個(gè)部分組成，分別是單相橋式不控整流電路，單相Boost升壓電路，DSP處理器構(gòu)成的控制電路，以及信號(hào)調(diào)理與檢測(cè)電路.PFC電路想要實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)它的基本思想是當(dāng)交流電經(jīng)過(guò)單相不控整流電路后得到的整流電壓電流作為整個(gè)PFC系統(tǒng)電路的輸入電流電壓，這個(gè)得到的電壓電流經(jīng)過(guò)后續(xù)的 Boost型DC/DC變換電路之后，通過(guò)在DSP中使用相應(yīng)的控制方法使得該電路輸入的電流信號(hào)能夠自動(dòng)的跟隨輸入電壓信號(hào)，即實(shí)現(xiàn)了電壓電流的相位同步，達(dá)到提高功率因數(shù)的目的，如果要使得輸出直流電壓很穩(wěn)定則必須對(duì)的電路進(jìn)行閉環(huán)控制.

2 單相PFC的控制策略

本次設(shè)計(jì)PFC電路采用電壓電流雙環(huán)控制模式，其具體工作過(guò)程如下：輸出的參考電壓信號(hào)Ud*和經(jīng)過(guò)PFC電路之后的輸出電壓Ud信號(hào)兩者送到一個(gè)電壓PI控制器，經(jīng)過(guò)PI比較處理環(huán)節(jié)得到的信號(hào)我們把它作為是電感電流的大小參考信號(hào)Vg，這個(gè)電流參考信號(hào)Vg與整流后的輸入電壓信號(hào)Vs經(jīng)過(guò)一個(gè)乘法器，通過(guò)乘法器能夠使電流獲得與輸入電壓相同的相位，其中電壓環(huán)PI控制器由于含有積分器有助于消除穩(wěn)態(tài)誤差，整流之后的輸入電壓信號(hào)主要能夠?yàn)殡娏鲄⒖夹盘?hào)提供相位支持，使得電感電流能夠得到與電壓信號(hào)兩者具有相同的相位（相位相同，幅值雖然不同可以通過(guò)后續(xù)的控制算法來(lái)調(diào)整）[4].而這個(gè)信號(hào)即作為為電流環(huán)的電流大小參考命令I(lǐng)L*，同時(shí)將采樣后的真實(shí)的電感電流信號(hào)IL與電流參考信號(hào)IL*經(jīng)過(guò)一個(gè)電流PI控制器環(huán)節(jié)后得到的比較信號(hào)與DSP控制器的PWM比較單元產(chǎn)生一定的頻率相同但是占空比大小不同的PWM脈沖序列信號(hào)從而控制電路的開(kāi)關(guān)管開(kāi)通與關(guān)斷，以此來(lái)不斷地調(diào)整開(kāi)關(guān)通斷時(shí)間使得實(shí)現(xiàn)電流跟蹤電壓相位達(dá)到功率因數(shù)為1的目標(biāo).

3 主電路參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算

由于在開(kāi)關(guān)電源電路中電感占據(jù)最重要的地位，電感的設(shè)計(jì)也最為復(fù)雜，我們可以通過(guò)以下幾個(gè)步驟來(lái)設(shè)計(jì).

3.1 確定電感的大小

（1）首先確定輸入電流峰值的最大值：當(dāng)輸入電壓最小時(shí)，輸入電流的峰值能達(dá)到最大值，同時(shí)考慮到電源效率為92%（PFC變換器及DC/DC變換器的效率分別為96%）.

（2）電感中紋波電流峰峰值.電感電流的峰峰值選取一般工程設(shè)計(jì)上取經(jīng)驗(yàn)值，PFC電路的升壓電感最大峰峰值可取PFC電路輸入電流大小的20%.

（3）計(jì)算占空比當(dāng)輸入的電流峰值最大時(shí)的占空比為：

（4）計(jì)算電感量：

根據(jù)以上公式可以并確定電感量為1.2mH.

3.2 輸出電容的選擇

PFC Boost電路的整流輸出電壓為2倍工頻紋波，其紋波大小由輸出電流和輸出電容Co決定，一般來(lái)說(shuō)根據(jù)3W選取的原則即PFC輸出功率的3倍值來(lái)選取輸出電容的大小，通過(guò)計(jì)算可以取輸出電容Co=1000μF.

3.3 功率開(kāi)關(guān)管的選擇

由于在本電路設(shè)計(jì)中PFC變換器的開(kāi)關(guān)管開(kāi)關(guān)頻率設(shè)定為80KHz，所以功率開(kāi)關(guān)管類(lèi)型選擇MOSFET.且此開(kāi)關(guān)管的耐壓值要大于PFC電路的輸出電壓，至少留有1.5倍電壓裕量，開(kāi)關(guān)管的額定電流大于PFC電感電流并且留有1.5倍的安全裕量.

3.4 快恢復(fù)二極管的選擇

開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)會(huì)使得二極管承受極高的反向電壓，為了防止二極管被這個(gè)反向電壓擊穿所以在選擇二極管時(shí)要考慮到快恢復(fù)特性，防止大的灌電流對(duì)開(kāi)關(guān)管造成損壞二極管要承受反向輸出電壓故其額定電壓要大于電路的輸出電壓，輸出電流為1.5的電感電流IL裕量左右.

4 控制回路設(shè)計(jì)

在PFC數(shù)字控制回路中包含了兩個(gè)環(huán)路;其中內(nèi)環(huán)構(gòu)成了電流環(huán)，PFC的電流內(nèi)環(huán)的兩個(gè)輸入是經(jīng)過(guò)電壓外環(huán)之后的參考電流信號(hào)IACref和實(shí)際檢測(cè)到的電感電流的信號(hào)IAC.其中電流環(huán)通過(guò)電流PI控制器的作用產(chǎn)生控制輸出信號(hào)與DSP內(nèi)部比較單元發(fā)生比較后得到控制開(kāi)關(guān)管開(kāi)通與關(guān)斷的頻率相同占空比不同的PWM脈沖信號(hào)，通過(guò)電流環(huán)的調(diào)節(jié)作用這樣使得實(shí)際的電感電流IAC能夠跟隨參考電流IACref[5].與電壓環(huán)相比，由于作為PFC電流內(nèi)環(huán)，故其電流環(huán)應(yīng)具有較快的響應(yīng)速度，使之能夠快速的讓輸入電流信號(hào)跟蹤輸入電壓信號(hào)的相位，所以PFC電流內(nèi)環(huán)的帶寬應(yīng)更高，這樣才能準(zhǔn)確無(wú)誤的跟蹤兩倍于輸入電網(wǎng)電壓頻率的半正弦波形.上圖中外環(huán)構(gòu)成PFC電路的電壓環(huán)，其中電壓外環(huán)的兩個(gè)輸入信號(hào)分別是用戶(hù)輸入?yún)⒖茧妷盒盘?hào)VDCref和檢測(cè)到的PFC輸出直流電壓信號(hào)VDC.電壓PI控制器用于通過(guò)比較計(jì)算后產(chǎn)生控制輸出誤差信號(hào)，這樣無(wú)論P(yáng)FC輸出端的負(fù)載電流IO和輸入端電網(wǎng)的供電電壓VAC發(fā)生怎樣的變化，其輸出端直流母線(xiàn)電壓VDC都將通過(guò)電壓環(huán)的反饋調(diào)節(jié)從而保持穩(wěn)定.由電壓PI控制器產(chǎn)生電壓誤差控制信號(hào)作為電流內(nèi)環(huán)的參考信號(hào)IACref.

4.1 電流環(huán)PI控制器設(shè)計(jì)

在本次PFC功率因數(shù)校正電路設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)電流環(huán)控制器時(shí)其電流環(huán)帶寬選擇8K，這樣電流能夠較好的跟蹤經(jīng)過(guò)整流電路之后的頻率為100Hz或者120Hz的半波正弦輸入電壓，根據(jù)到單片機(jī)在進(jìn)行數(shù)字采樣計(jì)算時(shí)會(huì)有延時(shí)誤差等數(shù)字延時(shí)的考慮，故在這里對(duì)PFC電流PI控制器的“零點(diǎn)”進(jìn)行配置，因此對(duì)于相位交點(diǎn)頻率為8kHz情況，電流環(huán)“零點(diǎn)”配置在遠(yuǎn)小于該頻率處以避免數(shù)字延時(shí)，故本文中電流PI控制器的零點(diǎn)選擇800Hz.在設(shè)計(jì)電壓電流環(huán)路時(shí)需要確定框圖中K1K2K3的系數(shù)，計(jì)算公式給出如下：

4.2 電壓環(huán)PI控制器設(shè)計(jì)

在開(kāi)關(guān)電源等電路設(shè)計(jì)時(shí)，我們?cè)谠O(shè)計(jì)電壓環(huán)控制器時(shí)電壓環(huán)帶寬一般選擇為電網(wǎng)電壓頻率的1/10，在本設(shè)計(jì)中由于整流之后電網(wǎng)電壓頻率為100Hz，所以在這里我們選擇電壓環(huán)的帶寬為10Hz，在該處此時(shí)電壓環(huán)的帶寬遠(yuǎn)小于100Hz或120Hz的電網(wǎng)電壓輸入頻率，這樣做的好處是能夠明顯的消除直流母線(xiàn)電壓中的諧波干擾，對(duì)于提高系統(tǒng)穩(wěn)定性有極大的幫助.在設(shè)計(jì)電壓PI控制器的零點(diǎn)時(shí)選擇其與電壓環(huán)的帶寬相同，考慮到單片機(jī)在采樣時(shí)會(huì)有延時(shí)，所以在電壓環(huán)帶寬為10Hz時(shí)數(shù)字延時(shí)不是那么明顯.有利于保證采樣的準(zhǔn)確性.

其中Zfcv為負(fù)載的輸出等效阻抗，該負(fù)載輸出阻抗等效了PFC電路輸出濾波電容，PFC輸出負(fù)載阻抗的兩者并聯(lián)組合，通過(guò)等效負(fù)載輸出阻抗參數(shù)來(lái)反應(yīng)電壓環(huán)的精確性.

5 系統(tǒng)仿真

本文通過(guò)在MATLAB仿真軟件上針對(duì)以上算法進(jìn)行了仿真，PFC電路交流輸入為220V，峰值輸入電壓為90V-265V，電壓頻率為工頻50Hz，開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)頻率為80kHz，實(shí)驗(yàn)仿真如以下圖，圖5顯示的是電路經(jīng)過(guò)PFC后可以看出電流能夠跟蹤電壓相位，使得功率因數(shù)接近于1達(dá)到了設(shè)計(jì)的目的.圖6顯示的是輸出電壓波形，其值大小穩(wěn)定在410V，符合設(shè)計(jì)要求.

6 結(jié)論

本設(shè)計(jì)針對(duì)目前模擬控制方式PFC電路的各種缺點(diǎn)，提出了一種基于DSP數(shù)字控制方式的PFC電路的主電路參數(shù)設(shè)計(jì)以及控制回路的PI參數(shù)設(shè)計(jì)，最后通過(guò)仿真驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性.

參考文獻(xiàn)：

〔1〕王躍林，申群太.基于DSP數(shù)字控制的Boost-PFC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].通信電源技術(shù)，2007，24（6）：73-75.

〔2〕文雪峰，佃松宜，鄧翔.基于數(shù)字雙環(huán)控制的功率因數(shù)校正控制算法[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2014，38（3）：36-40.

〔3〕丁凱.基于DSP的三電平PWM整流器的控制策略研究[D].東南大學(xué)，2015.

〔4〕陳倩玉.ZVS半橋三電平充電機(jī)控制策略研究和實(shí)現(xiàn)[D].電子科技大學(xué)，2016.

〔5〕張亞州.淺談?dòng)性垂β室驍?shù)的校正及有源濾波技術(shù)的研究[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì)，2017（20）.