大功率單相數(shù)字有源PFC的研究與實(shí)現(xiàn)

王 晗，楊 林

（1.上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，北京 100083）

引言

傳統(tǒng)的APFC電路一般采用專用的模擬PFC控制芯片來實(shí)現(xiàn) （如L4981B，UC3909，IR1150等）設(shè)備對(duì)網(wǎng)側(cè)的諧波電流污染，雖然控制簡(jiǎn)單，但是由模擬控制芯片為核心構(gòu)成的控制電路，容易受到電路分布參數(shù)、環(huán)境溫度、濕度、器件老化等眾多因素的影響，使得電路的壽命受到影響；而且由于模擬控制芯片的外圍電路參數(shù)固定，使得由模擬控制芯片構(gòu)成的APFC電路只能在某個(gè)小功率范圍內(nèi)得到較好的校正效果，一般認(rèn)為由模擬PFC芯片組成的功率因數(shù)校正電路，其功率范圍都限制在1～2 kW左右，因此很難推廣應(yīng)用到較大功率場(chǎng)合。隨著單相設(shè)備正朝著大電流、大功率化方向發(fā)展，比如在變頻空調(diào)行業(yè)，單相設(shè)備的功率已經(jīng)達(dá)到5 kW以上，單相APFC電路的大功率化已經(jīng)成為研究的熱點(diǎn)[1-5]。隨著數(shù)字技術(shù)的不斷發(fā)展，功率器件的控制可通過數(shù)字信號(hào)處理器來實(shí)現(xiàn)，數(shù)字控制具有許多優(yōu)點(diǎn)，比如可編程性，強(qiáng)適應(yīng)性，不易受硬件老化和環(huán)境變化的影響，能夠增強(qiáng)電路的抗干擾能力，可以靈活的實(shí)現(xiàn)許多復(fù)雜的控制算法 （如數(shù)字濾波器，數(shù)字PI調(diào)節(jié)器，變PI調(diào)節(jié)器等），使得電路元器件的數(shù)量大大減少，電路板體積也迅速減小，數(shù)字控制技術(shù)的出現(xiàn)對(duì)已往的模擬控制技術(shù)提出了挑戰(zhàn)。

綜上所述，本文基于TMS320F2808這款優(yōu)秀的DSP控制芯片設(shè)計(jì)了一款數(shù)字APFC電路，基于經(jīng)典的乘法器控制原理，采用CCM和平均電流控制策略，利用分段變PI調(diào)節(jié)器來進(jìn)行電壓、電流雙閉環(huán)調(diào)節(jié)控制，實(shí)現(xiàn)了輸入電流對(duì)輸入電壓的很好跟蹤。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，電路在高達(dá)5 kW的整個(gè)功率范圍內(nèi)都得到了很好的校正效果，滿足了IEC61000-3-2對(duì)于諧波的要求，促進(jìn)了單相APFC向大功率方向的發(fā)展，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

1 數(shù)字APFC的電路結(jié)構(gòu)和控制原理

1.1 數(shù)字APFC的電路結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)的數(shù)字APFC 主功率電路采用PFC領(lǐng)域中常見的Boost型功率變換電路。主要是考慮到：在這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，電感連接在整流橋的輸出端，輸入電流就是電感電流，波形連續(xù)且較為平滑；設(shè)計(jì)中采用平均電流控制策略，而Boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)易于實(shí)現(xiàn)平均電流控制方案，因此電流采樣容易實(shí)現(xiàn)，能夠達(dá)到比較好的控制效果。控制電路圍繞數(shù)字信號(hào)處理芯片TMS320F2808包括輸入交流電壓信號(hào)檢測(cè)電路、輸入電感電流檢測(cè)電路、輸出直流電壓檢測(cè)電路、功率驅(qū)動(dòng)電路、故障保護(hù)電路等電路。下面對(duì)電路的各個(gè)部分電路設(shè)計(jì)、參數(shù)選擇進(jìn)行詳細(xì)討論。

圖1 數(shù)字APFC的電路示意圖

圖1 所示為數(shù)字APFC電路的示意圖。如圖所示，電路的主功率拓?fù)錇锽oost電路，由整流橋（D1-D4）、升壓電感（L1）、功率開關(guān)管（S1）和快恢復(fù)二極管（D5）組成。信號(hào)采集包括：輸入交流電壓信號(hào)檢測(cè)電路、電感電流信號(hào)檢測(cè)電路和直流母線電壓檢測(cè)電路。輸入交流電壓檢測(cè)電路由運(yùn)算放大器OP1和電阻R1-R6組成，檢測(cè)輸入交流電壓的瞬時(shí)值，再通過電阻R7和電容C3組成的低通濾波器，進(jìn)入DSP的AD1口，為電流的控制提供標(biāo)準(zhǔn)的正弦電流參考波形。由于DSP內(nèi)部的AD模塊不具有雙端電壓檢測(cè)功能，因此，通過電阻R1引入一個(gè)直流偏置分量，將檢測(cè)到的±1.5 V的雙極性交流信號(hào)轉(zhuǎn)換為0～3 V的單極性信號(hào)。輸入交流電流檢測(cè)電路由運(yùn)算放大器OP2和電阻R8～R11組成，檢測(cè)輸入交流電流的瞬時(shí)值，檢測(cè)結(jié)果再通過電阻R12和電容C4組成的低通濾波器，進(jìn)入DSP的AD2口。輸入直流母線電壓檢測(cè)電路由電阻分壓網(wǎng)絡(luò)R13和R14組成，檢測(cè)結(jié)果通過電阻R15和電容C5組成的低通濾波器，進(jìn)入DSP的AD3口。DSP根據(jù)檢測(cè)到的交流輸入電壓信號(hào)、交流輸入電流信號(hào)和直流母線電壓信號(hào)，通過外電壓、內(nèi)電流的雙環(huán)控制來產(chǎn)生PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制功率開關(guān)管S1的導(dǎo)通和關(guān)斷，從而實(shí)現(xiàn)輸入電流跟隨輸入電壓和保持直流側(cè)輸出電壓的穩(wěn)定。

1.2 數(shù)字APFC的控制原理

數(shù)字APFC電路采用的算法類同模擬芯片L4981A/B芯片內(nèi)部的算法，其算法的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 數(shù)字APFC算法結(jié)構(gòu)圖

算法的核心是一個(gè)乘法器X，一個(gè)電壓閉環(huán)，一個(gè)電流閉環(huán)。其中乘法器的作用是產(chǎn)生電流參考信號(hào)，乘法器的輸入有三個(gè)：輸入電源電壓參考波形為半波正弦信號(hào)，輸入電源電壓有效值平方的倒數(shù)和電壓環(huán)PI調(diào)解器的輸出，乘法器的輸出信號(hào)作為電流環(huán)的參考信號(hào)。其中輸入電源電壓有效值平方的倒數(shù)可以用來調(diào)節(jié)輸入電壓的范圍，以滿足寬范圍電壓供電的要求。電壓閉環(huán)的作用是負(fù)責(zé)將給定電壓與實(shí)際電壓進(jìn)行誤差放大，目標(biāo)是穩(wěn)定輸出電壓。電流閉環(huán)的作用是負(fù)責(zé)將電流參考信號(hào)與實(shí)際電流信號(hào)進(jìn)行誤差放大，以得到占空比信息，調(diào)節(jié)功率開關(guān)管的開關(guān)，使輸入電流跟蹤輸入電壓波形，從而實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)。

2 有源PFC電路的電感選取

一般情況考慮以下條件來設(shè)計(jì)L1電感量大?。?/p>

（1）輸入電壓為220 VAC，考慮電壓波動(dòng)±10%，則最低電壓為198 VAC，最高電壓242 VAC；

（2）電感電流允許的紋波含量大小，在連續(xù)導(dǎo)通模式下，電流紋波系數(shù)kr的范圍一般為10%～30%，本設(shè)計(jì)選擇kr=10%；

（3）開關(guān)頻率大?。哼x擇IGBT作為功率開關(guān)，選擇開關(guān)頻率fsw=20 kHz；

（4）系統(tǒng)效率，最小輸入電壓時(shí)系統(tǒng)效率最低，本設(shè)計(jì)選擇效率η=95%；

（5）最大輸入電流，最大輸出功率Po=5.0 kW，則最大輸入功率Pin=5.26 kW，輸入電流最大有效值為Iinmax=26.6 A；

（6）系統(tǒng)輸出電壓為Vout=365 V。

2.1 升壓電感量的理論計(jì)算

按照紋波電流最大峰峰值與工頻電流峰值之比來確定最小與最大電感量。

最小電感量的計(jì)算公式方法如下式所示[6]：

根據(jù)本文的設(shè)計(jì)要求和實(shí)驗(yàn)條件，可得最小電感值為：

根據(jù)電感電流的上升率應(yīng)該大于電網(wǎng)輸入電流的上升率，最大電感量的確定公式為：

該式意味著Tσ時(shí)間后輸入電流才能正常跟蹤輸入電壓，顯然絕對(duì)做到單位功率因數(shù)是不可能的。 因?yàn)?cos（2°）=0.999 4，可以取 Tσ=0.11 ms，此時(shí)可得最大電感值為：

實(shí)際電感值的計(jì)算公式需要考慮電感的紋波電流和最大占空比，其計(jì)算公式為：

最大電感峰值電流為：

最大占空比為：

代入數(shù)據(jù)可得理論計(jì)算出來的電感值為：

計(jì)算得到的電感量為0.83 mH，處于理論分析的最大電感量與最小電感量之間。

2.2 實(shí)際升壓電感的選擇

有源PFC電路中電感量的選取除了跟電路的工作模式和電流大小有關(guān)系外，還要考慮到開關(guān)頻率、噪聲、溫升等因素，因此電感量的選取成為功率因數(shù)校正領(lǐng)域中一個(gè)至關(guān)重要的問題。由于本設(shè)計(jì)采用的PFC電路的電感為鋁導(dǎo)線硅鋼電感，且應(yīng)用于密閉場(chǎng)合，處于自然散熱狀態(tài)，因此在實(shí)際應(yīng)用中需要考慮電感的溫升效應(yīng)。另外，在大電流情況下，電感發(fā)出的噪聲也比較嚴(yán)重，這在變頻空調(diào)應(yīng)用中是不允許的。

在PFC電路中決定電感溫升和噪聲的主要因素是紋波電流，如果能夠降低流過電感的紋波電流，就能有效降低PFC電感的發(fā)熱和噪聲。因此在實(shí)際應(yīng)用中，采用的電感值為5.5 mH，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于理論計(jì)算值0.83 mH。采用大的電感值，會(huì)增大系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)，降低系統(tǒng)的響應(yīng)速度，雖然解決了電感的發(fā)熱和噪聲問題，但是使得實(shí)際應(yīng)用中存在固定PI調(diào)節(jié)器參數(shù)無法解決整個(gè)功率范圍內(nèi)電流的跟蹤問題，從而引出了采用變PI調(diào)節(jié)器來解決該問題的思路。最后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，雖然采用遠(yuǎn)超過理論計(jì)算結(jié)果的電感值，但是通過控制策略的調(diào)整，在整個(gè)功率范圍內(nèi)，輸入電流能夠很好的跟蹤輸入電壓波形，說明在實(shí)際應(yīng)用中，采用較大的電感量也是可行的。

3 數(shù)字變PI調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)

3.1 一般數(shù)字PI調(diào)節(jié)器

數(shù)字式PI控制算法可以分為位置式PI和增量式PI控制算法。

位置式PI算法的表達(dá)式為：

式中：k 為采樣序號(hào)，k=0，1，2， ……；uk為第 k次采樣時(shí)刻的計(jì)算機(jī)輸出值；ek第k次采樣時(shí)刻輸入的偏差值；Kp為控制器的比例系數(shù)；Ki控制器的積分系數(shù)，Ki=Kp*T/Ti。

位置式PI算法由于全量輸出，所以每次輸出均與過去狀態(tài)有關(guān)，計(jì)算時(shí)要對(duì)ek進(jìn)行累加，工作量大；并且，因?yàn)橛?jì)算機(jī)輸出的uk對(duì)應(yīng)的是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置，如果計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障，輸出的uk將大幅度變化，會(huì)引起執(zhí)行機(jī)構(gòu)的大幅度變化，有可能因此造成嚴(yán)重的生產(chǎn)事故，這在實(shí)際生產(chǎn)中是不允許的。

增量式PI算法的表達(dá)式為：

式中：Δek=ek-ek-1為第k次誤差與第k-1次誤差的差值；uk-1為第k-1次的計(jì)算機(jī)輸出值。

增量式PI控制算法與位置式PI算法相比，計(jì)算量小的多，因此在實(shí)際中得到廣泛的應(yīng)用。為了避免因誤擾動(dòng)造成輸出的不穩(wěn)定，在實(shí)際應(yīng)用中需要對(duì)積分量輸出進(jìn)行限幅和PI調(diào)節(jié)器的輸出值進(jìn)行限幅。本設(shè)計(jì)中采用的數(shù)字PI控制算法為增量式PI控制算法，模擬信號(hào)的采樣頻率為40 kHz，采樣時(shí)間為 T=25 μs。

3.2 變PI調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

傳統(tǒng)的由模擬PFC控制芯片組成的功率因數(shù)校正電路很難應(yīng)用到大功率領(lǐng)域的原因是模擬PFC芯片的PI調(diào)節(jié)器參數(shù)固定，無法根據(jù)電流的大小實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，因此很難在較大的電流范圍內(nèi)都得到良好的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)性能，因此大功率的PFC電路一般都采用數(shù)字電路方案來實(shí)現(xiàn)。采用數(shù)字方案可以根據(jù)電流的大小，實(shí)時(shí)調(diào)整數(shù)字PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)，使得系統(tǒng)在不同的功率區(qū)間都具有良好的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)特性，從而得到優(yōu)于模擬PFC控制方案更好的功率因數(shù)校正效果。

數(shù)字APFC電路中采用了分段變PI調(diào)節(jié)器，其具體實(shí)現(xiàn)為：將整個(gè)電流范圍分為五個(gè)區(qū)間，在不同的電流區(qū)間，數(shù)字PI調(diào)節(jié)器采用不同的比例系數(shù)Kp和積分系數(shù)ki，在相鄰電流區(qū)間設(shè)置1A的滯環(huán)，來對(duì)整個(gè)電流范圍進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。選取1A的滯環(huán)是為了保證在區(qū)間轉(zhuǎn)換時(shí)候，調(diào)節(jié)器參數(shù)的惟一性，從而保證調(diào)節(jié)器的穩(wěn)定性。具體的區(qū)間選取和PI參數(shù)選取如表1所示：

表1 變PI調(diào)節(jié)器區(qū)間設(shè)置與參數(shù)選取情況

4 數(shù)字APFC的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)與結(jié)果

4.1 數(shù)字APFC的實(shí)驗(yàn)條件

設(shè)計(jì)電路的輸出功率為5 kW，輸出直流電壓為365 V，電流范圍為0～22 A，期望效率不低于90%，小電流情況下，功率因數(shù)不低于0.95，大電流情況下功率因數(shù)不低于0.98。微控制器采用TI的數(shù)字處理器 TMS320F2808，CPU時(shí)鐘為 100 MHz，ADC時(shí)鐘為6.25 MHz，完成一次ADC轉(zhuǎn)換時(shí)間為160 ns，設(shè)置功率器件的開關(guān)頻率為20 kHz。實(shí)驗(yàn)升壓電感采用5.5 mH，直流側(cè)電解電容選用六個(gè)470 μF/400 V電解電容并聯(lián)。下面給出濾波電容的選擇依據(jù)。

電解電容的主要依據(jù)是輸出電壓允許紋波的大小和電容的ESR，電解電容的容值需滿足[7]：

其中（δVpk-pk）max是電壓紋波的最大容許值，ω 是交流電源的角頻率，?。é腣pk-pk）max=6%Vout，得：

實(shí)際選用6個(gè)470 μF/450 V電解電容并聯(lián)。

根據(jù)系統(tǒng)最大功率5 kW，最大輸出直流電壓365 V，選取整流橋的型號(hào)為DX25B60，耐壓值為600 V，通流能力為25 A，采用兩個(gè)整流橋并聯(lián)的方式來滿足本設(shè)計(jì)的功率要求。本系統(tǒng)中的IGBT承受的正向電壓為最大直流輸出電壓365 V，通過電流為24.70 A，實(shí)際應(yīng)用中一般考慮留1.5～2倍的安全裕量，因此取VCES=600 V，Ic=80 A的IGBT，型號(hào)為SGL80N60UF（80A/600V/100℃）。系統(tǒng)選取的快恢復(fù)二極管型號(hào)為FFAF40U60VD（40 A/600 V/100℃/110 ns），其內(nèi)部將兩個(gè)快恢復(fù)二極管封裝在一起，實(shí)際應(yīng)用中將這兩個(gè)二極管并聯(lián)起來使用，來滿足本設(shè)計(jì)的電流要求。

4.2 數(shù)字APFC的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在輸入電壓為AC220 V/50 Hz，升壓電感取5.5 mH，濾波電容取2 820 μF的情況下，從輕載700 W到重載5.0 kW的功率范圍內(nèi)進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖3～圖9所示。圖3～圖4為數(shù)字APFC電路的PWM脈沖波形圖，由圖可以看出，占空比的變化規(guī)律為倒正弦變化規(guī)律，這與PFC電路工作的原理一致。圖5～圖6給出了輕載和重載情況下輸入電壓和輸入電流的波形圖，可見從輕載到重載整個(gè)功率范圍內(nèi)，輸入電流能夠很好的跟蹤輸入電壓波形；圖7～圖8分別給出了對(duì)應(yīng)輕載和重載情況下的功率因數(shù)顯示圖，實(shí)驗(yàn)波形表明，功率因數(shù)能夠保證在0.98以上。圖9給出了輸入電流和輸出直流電壓的波形圖，輸出電壓峰峰值為44.4 V，以2倍頻的電網(wǎng)電壓頻率波動(dòng)。

測(cè)試了輸入電流從3 A到20 A的諧波電流情況和電路的效率情況，結(jié)果表明在整個(gè)功率范圍內(nèi)，從3次到23次的諧波電流含量均滿足IEC61000-3-2標(biāo)準(zhǔn)的限制要求，而且能夠?qū)崿F(xiàn)功率因數(shù)都在0.98以上，效率不低于94.7%，具體情況如表2和表3所示。

圖9 輸入電流與輸出直流電壓波形圖（4.66 kW）

表2 數(shù)字APFC輸入電流諧波含量測(cè)試結(jié)果

表3 數(shù)字PFC電路效率測(cè)試結(jié)果

續(xù)表3

5 結(jié)論

本文基于TI高端DSP，型號(hào)為TMS320F2808設(shè)計(jì)了一款數(shù)字APFC電路，根據(jù)經(jīng)典的乘法器控制原理，采用CCM和平均電流控制策略，利用分段變PI調(diào)節(jié)器來進(jìn)行電壓、電流雙閉環(huán)調(diào)節(jié)控制，在更寬范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了輸入電流對(duì)輸入電壓的良好跟蹤。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，電路在高達(dá)5 kW的整個(gè)功率范圍內(nèi)都得到了很好的校正效果，滿足了IEC61000-3-2對(duì)于諧波的要求，在整個(gè)功率范圍內(nèi)輸入功率因數(shù)高達(dá)1.0，而且輸出電壓基本穩(wěn)定在365 V左右，最大負(fù)載情況下電壓峰峰值為45 V，整個(gè)功率范圍內(nèi)輸出電壓峰峰值低于15%，促進(jìn)了單相APFC向大功率方向的發(fā)展，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

[1]中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),GB 17625.1-1998,eqv.IEC 61000-2-3:1995.低壓電氣及電子設(shè)備發(fā)出的諧波電流限值（設(shè)備每相輸入電流≤16A）.國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局,1998年12月14日發(fā)布.

[2]IEC 61000-3-2:1995 “Electromagnetic compatibility Part3:limits-set.2:limits for harmonic current emission(equipment input current≤16A per phase)” .

[3]EN 50082-1:1995 “Electromagnetic compatibility–generic immunity standard,part 2:industrial environment”.

[4]EN 50081-2:1996 “Electromagnetic compatibility–generic immunity standard,part 1:industrial residential,commercial and light industry”.

[5]Daniel M Mitchell.AC-DC Converter Having An Improved Power Factor.Patent No.US 4,412,277.Rockwell Corp.1983.

[6]楊喜軍.單相AC-DC變換器及其在家用變頻空調(diào)中應(yīng)用的研究.博士后研究報(bào)告，2004.

[7] 楊興華.新型部分有源功率因數(shù)校正電路的分析與實(shí)現(xiàn)[J].電氣應(yīng)用,2007,26(7):54～57.