基于DSP的單ADC數(shù)字功率因數(shù)校正器研究

沈黎韜+陶雪慧+楊斌

摘 要： 傳統(tǒng)數(shù)字功率因數(shù)校正器要使用三路ADC采樣，特別是電感電流的采樣會(huì)造成電路效率的下降以及復(fù)雜度的上升。研制一臺(tái)基于Boost電路的數(shù)字功率因數(shù)校正器，控制回路只使用了一路ADC采樣平均輸出電壓以及輸出電壓紋波。開關(guān)管所需要的占空比值會(huì)預(yù)先計(jì)算好，采樣的平均輸出電壓形成輸出平均電壓環(huán)，采樣的輸出電壓紋波形成輸出電壓紋波環(huán)。兩個(gè)環(huán)路分別對(duì)占空比相應(yīng)的部分進(jìn)行控制，保證了整個(gè)系統(tǒng)可以達(dá)到較好的功率因數(shù)校正效果。最后，采用TMS320F28335數(shù)字信號(hào)處理器作為控制芯片，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該方法的正確性。

關(guān)鍵詞： 功率因數(shù)校正； 單ADC； 預(yù)計(jì)算； 數(shù)字信號(hào)處理器

中圖分類號(hào)： TN873+.5?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）14?0158?04

Abstract： Traditional digital power factor correction uses three analog?to?digital converters. Each converter， especially for the inductive current one， increases the cost and the complexity of the system. A digital power factor corrector based on Boost is presented in this paper， in which only one ADC is used for control loop to sample the average output voltage and the ripple of the output voltage. The duty cycles that the switching tube needs are precalculated. The sampled average output voltage forms the output average and the sampled output voltage ripple forms output voltage ripple loop. These two loops control the corresponding part of the duty cycle respectively， which makes the power factor correction effect of the whole system higher. TMS320F28335 DSP is used as a control chip. The experiment results verified the correctness of the method.

Keywords： power factor correction； single ADC； pre?calculation； DSP

0 引 言

傳統(tǒng)的功率因數(shù)校正通常需要三路ADC（Analog?to?Digital Converter），分別為采樣輸入電壓、輸出電壓和電感電流，使得電路復(fù)雜程度相對(duì)較高。其中，電感電流的采樣通常使用采樣電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)[1]。但是，采樣電阻上能量的損耗較大，會(huì)對(duì)電路整體的效率產(chǎn)生影響。采用數(shù)字控制時(shí)，電感電流的采樣頻率和開關(guān)頻率相同，在保證較高開關(guān)頻率的同時(shí)，電感電流的采樣頻率也相對(duì)較高，這樣會(huì)導(dǎo)致控制周期縮短，對(duì)運(yùn)算量也提出了很高的要求。

文獻(xiàn)[2]把傳統(tǒng)的PI雙環(huán)控制用可編程邏輯門陣列（FPGA）來(lái)實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)[3]推導(dǎo)出基于電感波谷電流的占空比計(jì)算公式，減少了計(jì)算量。文獻(xiàn)[4?7]中采用單周期控制以及新型控制策略，省去了對(duì)輸入電壓的采樣。文獻(xiàn)[8]采用了預(yù)測(cè)電流控制，把輸入電壓采樣改為過(guò)零檢測(cè)，從內(nèi)部產(chǎn)生正弦參考信號(hào)，減小了計(jì)算量。文獻(xiàn)[9]通過(guò)采樣負(fù)載電流和輸入電壓來(lái)計(jì)算占空比，省去了對(duì)電感電流的采樣。文獻(xiàn)[10]把電感電流的采樣轉(zhuǎn)化為對(duì)電容電壓的采樣，減小了電路的損耗。

本文采用占空比預(yù)先計(jì)算的方法，將傳統(tǒng)PFC控制的三路ADC減少為一路ADC，只對(duì)輸出電壓和輸出電壓紋波進(jìn)行采樣，從而簡(jiǎn)化了采樣電路的設(shè)計(jì)，也降低了控制回路的計(jì)算量。

1 占空比值的預(yù)計(jì)算

在數(shù)字功率因數(shù)校正器中，控制器的開關(guān)管可以由數(shù)字控制器輸出不同占空比的PWM波進(jìn)行控制。本文所采用的方法是將要用的占空比值提前計(jì)算好，并存儲(chǔ)在DSP內(nèi)部，所以數(shù)字控制器不再需要對(duì)占空比進(jìn)行實(shí)時(shí)的計(jì)算。對(duì)于不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，占空比的計(jì)算方法也是不一樣的。如圖1所示，本文采用的是Boost電路拓?fù)?，電路工作在CCM模式下，占空比的計(jì)算方法也是在Boost電路基礎(chǔ)上進(jìn)行分析的。

2 控制算法

通過(guò)上面的分析，可以在特定的情況下計(jì)算出所需的占空比，但是在參數(shù)有變化時(shí)，預(yù)先計(jì)算的占空比可能就會(huì)不適合變化后的情況。所以，需要系統(tǒng)對(duì)參數(shù)的變化能自動(dòng)響應(yīng)，這就要加入閉環(huán)控制。除此之外，系統(tǒng)需要將計(jì)算好的占空比與輸入交流電壓信號(hào)進(jìn)行同步，所以說(shuō)需要對(duì)輸入電壓加入過(guò)零檢測(cè)環(huán)節(jié)。本文采用了模擬比較器，當(dāng)輸入電壓過(guò)零時(shí)，比較器的輸出產(chǎn)生一個(gè)突變沿，DSP通過(guò)捕獲模塊捕獲這個(gè)突變沿，從而使得占空比的輸出能和輸入電壓同步，也保證了電流和電壓的同相位。下面，分析兩種不同的算法，分別對(duì)預(yù)先計(jì)算好的占空比進(jìn)行修改。

2.1 用惟一參數(shù)調(diào)節(jié)占空比

最方便的方法是利用Boost變換器工作在CCM模式下時(shí)的占空比計(jì)算式來(lái)調(diào)節(jié)，如下：

如果在一個(gè)周期內(nèi)，輸出電壓不為期望值，那么相應(yīng)的占空比值也要做調(diào)整。采用這種方法時(shí)，占空比的值通過(guò)式（3）預(yù)先計(jì)算好，系統(tǒng)中加入了一個(gè)簡(jiǎn)單的PID調(diào)節(jié)器。這個(gè)調(diào)節(jié)器與傳統(tǒng)PFC中的電壓環(huán)類似，通過(guò)采樣輸出電壓平均值來(lái)改變占空比。

改變計(jì)算好的占空比時(shí)，不僅僅是要改變一個(gè)開關(guān)周期的值，而是要改變所有存儲(chǔ)器內(nèi)部的值。一種方法是將存儲(chǔ)器中的每一個(gè)值乘以電壓環(huán)的輸出，但這種方法會(huì)導(dǎo)致占空比波形歪曲，見圖2。從圖中可以看出，當(dāng)按d（t）調(diào)節(jié)時(shí)，占空比的值不是從1開始到1結(jié)束，這樣會(huì)導(dǎo)致占空比值與理想值有偏差，會(huì)影響實(shí)際的PF值。而按1-d（t）調(diào)節(jié)時(shí)，調(diào)節(jié)后的值與理想值偏差較小，對(duì)PF值影響也較小。

具體的控制框圖見圖3，經(jīng)過(guò)采樣后的輸出電壓與參考電壓相減，得到的偏差經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)器輸出為k，k與1-d相乘后可以得到調(diào)節(jié)后的占空比。調(diào)節(jié)器的原理見圖4。PID調(diào)節(jié)器的輸出為δ，當(dāng)系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時(shí)，δ值為0，所以k為1，d的值沒(méi)有變化。當(dāng)輸出電壓有偏差時(shí)，相應(yīng)的δ也會(huì)有值，從而可以調(diào)節(jié)占空比d的大小。

這種方法根據(jù)式（3）預(yù)先計(jì)算好占空比值再進(jìn)行調(diào)節(jié)，但是當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，由于輸出電壓變化不明顯，系統(tǒng)不能很好地感知負(fù)載變化，相應(yīng)的占空比d的調(diào)節(jié)也不會(huì)改變，從而會(huì)對(duì)功率因數(shù)校正的效果產(chǎn)生一定影響，這方面的不足可以通過(guò)下面一種方法彌補(bǔ)。

2.2 用兩個(gè)不同參數(shù)調(diào)節(jié)占空比

為了彌補(bǔ)第一種方法的不足，將式（3）中的占空比d分為d1和d2兩個(gè)部分，如下：

兩個(gè)參數(shù)的變化曲線分別見圖5和圖6。從圖5可以看出，d1是控制占空比的主要部分，而d2主要的作用是消除由負(fù)載變化產(chǎn)生的電流畸變。圖5的結(jié)果顯示了輸入電壓變化對(duì)d1的影響很大，而輸出功率的變換則對(duì)其產(chǎn)生的影響很小，所以，d1可以由輸出電壓平均值來(lái)控制。因而輸出電壓的紋波被忽略了，不會(huì)對(duì)d1產(chǎn)生影響。所以，d1的控制方法與第2.1節(jié)第一種方法相同，通過(guò)存儲(chǔ)1-d1的值來(lái)修改預(yù)先計(jì)算的占空比值。

d2部分的值取決于輸入電流的大小。從式（6）中可以看出，輸入電流與電路的功率成正比。所以，當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，會(huì)對(duì)輸入電流產(chǎn)生影響，進(jìn)而會(huì)改變d2的大小。系統(tǒng)雖然不能測(cè)量輸出功率，但是可以通過(guò)輸出電壓的采樣來(lái)得出輸出電壓的紋波，由式（4）可知，輸出電壓紋波與輸出功率成正比。所以，通過(guò)對(duì)輸出電壓紋波的采樣，可以相應(yīng)地調(diào)整d2的大小。

從圖6還可以看出，d2也取決于輸入電壓，所以輸出電壓調(diào)節(jié)器也用來(lái)控制d2。這種方法的控制框圖見圖7。從圖7可以看出，與第一種方法相同的平均輸出電壓環(huán)用來(lái)對(duì)d1進(jìn)行控制。同時(shí)，d2的控制不僅僅用到了平均輸出電壓環(huán)，還采用了輸出電壓紋波環(huán)路。輸出電壓紋波環(huán)路的作用與傳統(tǒng)功率因數(shù)校正的電流換相類似。

與第一種方法類似，1-d1是由k進(jìn)行調(diào)節(jié)的。但是，由于d2是直接存儲(chǔ)的而不是1-d2，并且1-d1和d2的符號(hào)相反，所以調(diào)節(jié)器的輸出應(yīng)該為。由于PID調(diào)節(jié)器的輸出δ在0左右，所以可以得出式（9）。圖8為用于控制d1和d2的輸出平均電壓環(huán)，其中，1-d1由k進(jìn)行調(diào)節(jié)，d2由進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3 實(shí)驗(yàn)部分

3.1 方法實(shí)現(xiàn)

本文所用的控制器是TI公司的TMS320F28335數(shù)字信號(hào)處理器。外部晶振頻率是30 MHz，系統(tǒng)時(shí)鐘頻率為150 MHz。開關(guān)頻率和采樣頻率都是100 kHz，所以每半個(gè)輸出交流電壓周期內(nèi)有1 000個(gè)采樣點(diǎn)，這1 000個(gè)采樣點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的占空比值會(huì)預(yù)先計(jì)算好，并存放在數(shù)組中，不斷刷新數(shù)組就能達(dá)到改變占空比的目的。

輸入電壓過(guò)零檢測(cè)部分先將輸入電壓降至15 V左右，再經(jīng)過(guò)比較器和反相器整形，輸出一個(gè)頻率為50 Hz的方波。DSP的A/D采樣以及捕獲引腳都加入箝位電路，保證了DSP的安全性。具體電路參數(shù)見表1。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

第2節(jié)分析的兩種方法都通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其合理性，具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖9～圖11。

圖9為在不同的輸出功率情況下，兩種方法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。占空比是按照輸入電壓220 V、輸出電壓400 V、負(fù)載功率300 W的情況進(jìn)行計(jì)算的。從圖9可以看出，兩種方法功率因數(shù)校正的效果都是隨著負(fù)載功率的上升而上升，并且負(fù)載功率越接近計(jì)算值，功率因數(shù)就越接近1。圖10和圖11分別表示的是在輸入電壓為110 V和220 V時(shí)電路滿載測(cè)試的結(jié)果。可以看出，當(dāng)電路滿載時(shí)，所采用的方法能很好地達(dá)到功率因數(shù)校正的效果，輸入電流接近正弦波并且能很好地跟蹤輸入電壓波形。實(shí)測(cè)PF值分別為0.985和0.992。

4 結(jié) 論

本文通過(guò)分析兩種基于Boost電路的單個(gè)ADC功率因數(shù)校正的方法，簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)功率因數(shù)校正電路結(jié)構(gòu)。為了能夠很好地達(dá)到功率因素校正的效果，占空比的值預(yù)先計(jì)算好，并且通過(guò)平均輸出電壓環(huán)以及輸出電壓紋波環(huán)兩個(gè)閉環(huán)控制來(lái)改變相應(yīng)的占空比值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，兩種方法都能達(dá)到功率因數(shù)校正的效果，并且PF值最高可以達(dá)到0.992。

參考文獻(xiàn)

[1] 王武，葉開明，陳浩龍，等.混合導(dǎo)通模式Boost PFC的控制策略研究[J].電工電能新技術(shù)，2015（7）：16?21.

[2] 鄒濤，周小方.基于FPGA的交錯(cuò)并聯(lián)PFC的研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2015，38（8）：120?123.

[3] 梅寒潔，何樂(lè)年.一種新穎高功率因數(shù)PFC的數(shù)字控方法[J].電源技術(shù)，2015（2）：360?362.

[4] 陶海燕，錢承山，毛鵬，等.Boost PFC變換器數(shù)字控制研究[J].電子器件，2013（6）：889?893.

[5] 王智，方煒，劉曉東.數(shù)字控制的單周期PFC整流器的設(shè)計(jì)與分析[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2014（21）：3423?3431.

[6] 田書欣，鐘莉娟，楊喜軍，等.新型控制策略的數(shù)字有源功率因數(shù)校正的實(shí)現(xiàn)[J].電力電子技術(shù)，2010（2）：56?57.

[7] 喬琳君.單周期控制的無(wú)橋APFC電路仿真研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2013，36（19）：131?134.

[8] 李宋，葉滿園.預(yù)測(cè)平均電流控制PFC Boost變換電路的研究[J].電力電子技術(shù)，2011（12）：120?122.

[9] 趙慧，沈錦飛.基于DSP的Boost PFC軟開關(guān)變換器研究[J].電力電子技術(shù)，2012（2）：99?101.

[10] QIU Y， CHEN X， LIU H. Digital average current?mode control using current estimation and capacitor charge balance principle for dc?dc converters operating in DCM [J]. IEEE transactions on power electron， 2010， 25（6）： 1537?1545.

[11] 普萊斯曼.開關(guān)電源設(shè)計(jì)[M].2版.北京：電子工業(yè)出版社，2006.

[12] Sanjaya Maniktala.精通開關(guān)電源設(shè)計(jì)[M].北京：人民郵電出版社，2012.