Boost型功率因數(shù)校正變換器的數(shù)字控制探究

楊鳳焓

（重慶金美通信有限責(zé)任公司，重慶 400030）

0 引 言

如今的社會(huì)不管在經(jīng)濟(jì)還是物質(zhì)建設(shè)上都是非?？焖俚模@種速度也帶動(dòng)著電源領(lǐng)域的發(fā)展。在Boots型功率因數(shù)校正變換器的數(shù)字控制方面，如果一味地使用傳統(tǒng)模擬控制技術(shù)，必然影響變換器的使用性能。傳統(tǒng)控制技術(shù)除元器件多、體型大及結(jié)構(gòu)復(fù)雜外，運(yùn)行時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生元件漂移、系統(tǒng)參數(shù)漂移等現(xiàn)象，給Boots型功率因數(shù)校正變換器的調(diào)試工作帶來(lái)不便。電路集成技術(shù)在新形勢(shì)下被不斷研發(fā)和提升，數(shù)字信號(hào)處理器不斷發(fā)展，促使其性能逐漸滿足了Boots型功率因數(shù)校正變換器的數(shù)字控制要求[1]。這種新型控制電路的性價(jià)比較傳統(tǒng)控制技術(shù)要高，且具有較高的兼容性和環(huán)保性，在滿足變換器數(shù)字控制的同時(shí)，滿足了可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略要求。

1 Boots型功率因數(shù)校正變換器

Boots型功率因數(shù)校正變換器是目前使用廣泛的校正電路。它的主電路由開(kāi)關(guān)管、電感和電容等組成，還包括一個(gè)儲(chǔ)能電感，目的是減少電流紋波對(duì)變換器的損害，同時(shí)為主電路減小部分沖擊。高頻沖擊會(huì)直接傷害主電路，最終造成主電路短路等現(xiàn)象。一旦主電路損害，就會(huì)間接對(duì)整個(gè)整流器造成電流源負(fù)載，從而影響整個(gè)Boots型功率因數(shù)校正變換器的性能。PFC電路的完成任務(wù)有兩個(gè)。一是控制電感和電流，使電流輸入時(shí)保持正弦化。由于正弦化，Boots型功率因數(shù)校正變換器的失真因素會(huì)接近數(shù)字1，且電流的基波在輸入時(shí)會(huì)和輸入的電壓產(chǎn)生相位現(xiàn)象。二是控制電壓，保持一段時(shí)間內(nèi)電壓的穩(wěn)定性。持續(xù)模式下，使用電壓環(huán)和電流環(huán)兩個(gè)控制環(huán)[2]。外環(huán)使用電壓環(huán)，主要負(fù)責(zé)輸出電壓，保證電壓的穩(wěn)定性；電流環(huán)作為內(nèi)環(huán)裝置，主要控制電感和電流的運(yùn)行狀態(tài)，以促進(jìn)電感和電流的跟蹤及給定，有效減小電流輸入時(shí)產(chǎn)生的諧波。假設(shè)把一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)輸入的電壓完全忽略，給定輸入的跟蹤電流，和輸入的額電壓形成比例[3]。如果將其電壓完全忽略，電路中將不存在損耗，效益仍保持原有的1，輸出功率將不會(huì)發(fā)生變化。

2 DSP下的Boots型功率因數(shù)校正變換器數(shù)字控制方案

2.1 DSP56F8323資源

DSP56F8323具有強(qiáng)大的功能，擁有足夠大的內(nèi)核和豐富的外設(shè)資源，且具有較高的利用性。通常，大部分?jǐn)?shù)字控制系統(tǒng)中的硬件資源都集中到DSP控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)中，很大程度上縮小了控制板。此階段，將一些外圍電路引入到資源庫(kù)中，完成了全部DSP的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在DSP56F8323，外設(shè)的資源有很廣泛的設(shè)計(jì)模板，如脈寬調(diào)制模塊、寬調(diào)制模塊的輸出口、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和其輸入口[4]。其中，脈寬調(diào)制模塊只有1個(gè)，輸出口6個(gè)；模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊雖然只有4個(gè)，但輸入口有8個(gè)。此外，整個(gè)系統(tǒng)中還包括2個(gè)定時(shí)器單元，但總共有8個(gè)定時(shí)器，分布在定時(shí)器單元的周邊。DSP56F8323的結(jié)構(gòu)部件較多，這些模塊能夠?qū)SP和DSP、DSP和外設(shè)及DSP和PC緊密連接，有助于系統(tǒng)控制和顯示狀態(tài)。

2.2 Boots型功率因數(shù)校正變換器的數(shù)字控制方案

數(shù)字PFC使用兩個(gè)控制環(huán)，采樣母線電壓后，對(duì)比其和輸出的電壓給定值。母線電壓和電壓給定值之間的差別經(jīng)過(guò)電壓環(huán)和調(diào)節(jié)器，最終的輸出表示是a，如圖1所示，將a和b、c相乘，可以得出內(nèi)環(huán)電流的給定是Iref，就相當(dāng)于Iref=abc。如果b為1U2ff，說(shuō)明全波整流的電壓是平均數(shù)的倒數(shù)，這樣b是1U2ff，c是電壓[5]。假如P1調(diào)節(jié)器輸出了a，說(shuō)明它決定電流環(huán)的給定值是多少，而c為采樣值，決定采樣值的多少，還決定形狀。由于前饋電壓的控制，所以引入了b。在b完成任務(wù)后，輸入功率的穩(wěn)定性對(duì)于整個(gè)DSP56F8323具有良好的促進(jìn)作用，能夠使其不受電網(wǎng)產(chǎn)生電壓的影響。內(nèi)環(huán)本身就是電流，所以它的速度相對(duì)更快。比較它的電流采樣值和電流環(huán)的給定值，經(jīng)過(guò)電流環(huán)中的P1電壓環(huán)和G2調(diào)節(jié)器時(shí)，控制開(kāi)關(guān)管的占空比。DSP的芯片主頻是60 MHz，單指令周期一般為16.6 ns，開(kāi)關(guān)頻率100 MHz，重載頻率始終保持50 kHz。在電流環(huán)的采樣頻率同樣為50 kHz的基礎(chǔ)上，電壓環(huán)采樣的頻率為25 kHz，AD轉(zhuǎn)變需要的時(shí)間是1.7 μs[6]。通常情況下，采樣通道數(shù)是3。數(shù)字控制程序有兩個(gè)比較關(guān)鍵的組合，分別是數(shù)字控制程序和中斷服務(wù)子程序。中斷子程序中的功能包含了很多，其中最突出的是電壓計(jì)算模板、電流計(jì)算以及PWM的輸出，如表1所示。

圖1 數(shù)字PFC的整體控制框架圖

表1 中斷子程序介紹

3 系統(tǒng)仿真的實(shí)驗(yàn)

以DSP56F8323進(jìn)行數(shù)字控制實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

4 結(jié) 論

系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)證明，Boots型功率因數(shù)校正變換器的數(shù)字控制可以使用理論和建模兩種方法。但是，按照理論測(cè)試出來(lái)的電壓環(huán)參數(shù)沒(méi)有任何差別，而這種方法也剛好適用于變換器[7]。假如在一個(gè)比較寬闊的電壓范圍內(nèi)，因數(shù)將可能達(dá)到0.99或0.99以上，或是在較大的負(fù)載變化范圍中達(dá)到0.99以上。這和傳統(tǒng)的模擬控制技術(shù)的控制效果成正比，體現(xiàn)出Boots型功率因數(shù)校正變換器的數(shù)字控制系統(tǒng)的性能[8]。當(dāng)前，人類社會(huì)已經(jīng)步入大數(shù)據(jù)時(shí)代，所以Boots型功率因數(shù)校正變換器的數(shù)字控制有著較好的發(fā)展前景，并在電源領(lǐng)域取到了較好的應(yīng)用。

表2 負(fù)荷效應(yīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（Uinrms=220 V）