基于Boost拓?fù)淦骄娏髂Ｊ降腁PFC研究

楊徐路 顧國(guó)帥 楊振 牟昱東

摘要：數(shù)字化功率因數(shù)校正技術(shù)是當(dāng)前時(shí)代電力電子領(lǐng)域中的幾個(gè)重要發(fā)展方向之一。本文基于 Boost拓?fù)淦骄娏髂Ｊ较碌臄?shù)字化功率因數(shù)校正控制方案，完成了控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)與仿真驗(yàn)證，搭建了基于MC56F8013的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該方案滿(mǎn)足系統(tǒng)的功率因數(shù)校正設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：功率因數(shù)校正;數(shù)字化;Boost

中圖分類(lèi)號(hào)：TM46 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2019）10-0132-02

0 引言

近些年來(lái)，伴隨電力電子技術(shù)的迅猛發(fā)展以及電力電子元器件本身的技術(shù)突破，電力電子產(chǎn)品在眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。同時(shí)，由于電力電子技術(shù)會(huì)帶來(lái)諸如電網(wǎng)側(cè)諧波污染、功率因數(shù)降低等問(wèn)題，國(guó)家出臺(tái)了一系列標(biāo)準(zhǔn)以對(duì)降低諧波電流和功率因數(shù)校正提出強(qiáng)制性要求[1]。在此背景下，一方面，因數(shù)字化APFC對(duì)比模擬PFC技術(shù)有明顯價(jià)格優(yōu)勢(shì)、可實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜的算法、更靈活方便，許多電力電子相關(guān)行業(yè)研究人員開(kāi)始投身該技術(shù)的研究;另一方面，隨著數(shù)字控制技術(shù)的日趨成熟，PFC技術(shù)的數(shù)字化也逐漸成為可能[2]。

1 數(shù)字化PFC控制方案

本文基于平均電流控制策略，在Boost升壓電路拓?fù)渲袘?yīng)用PFC電路，可在較寬范圍的電壓輸入條件下（90-265V）保持后端輸出電壓及功率的恒定并取得良好的PFC功率因數(shù)校正效果?；贒SP Frescale MC56F8013的數(shù)字化控制方案如圖1所示。

功率因數(shù)校正系統(tǒng)主要包括硬件和軟件兩部分的設(shè)計(jì)內(nèi)容。硬件層面上，通過(guò)完成主功率電路設(shè)計(jì)、數(shù)字信號(hào)處理芯片的控制回路設(shè)計(jì)、抗干擾設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)以及故障保護(hù)電路設(shè)計(jì)等，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的能量傳輸需求，保證了信號(hào)的完整性和工作的穩(wěn)定性。軟件層面上，本文圍繞數(shù)字化控制方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，與傳統(tǒng)的模擬功率因數(shù)校正芯片不同，數(shù)字化功率因數(shù)校正功能主要是依靠其內(nèi)部的控制算法來(lái)實(shí)現(xiàn)，其算法工作原理如下[3]：系統(tǒng)首先進(jìn)行電流反饋控制基準(zhǔn)信號(hào)的合成，主要由三部分組成：完成系統(tǒng)主回路輸出電壓U0的采樣，將采樣結(jié)果儲(chǔ)存至ADC模塊中的ANA1寄存器，與設(shè)置的基準(zhǔn)電壓U0*比較后產(chǎn)生相應(yīng)的誤差信號(hào)Uerr，并將此誤差信號(hào)送入電壓放大器進(jìn)行處理，其輸出結(jié)果將作為電流反饋控制基準(zhǔn)信號(hào)的一路輸入，用來(lái)穩(wěn)定輸出電壓信號(hào);完成系統(tǒng)輸入端電壓Uin的采樣，將采樣結(jié)果存儲(chǔ)至ADC模塊中的ANB0寄存器，其值作為控制基準(zhǔn)信號(hào)的第二路輸入，用于作為電流波形的基準(zhǔn)，以保證輸入電流信號(hào)的正弦性;同時(shí)為了達(dá)到系統(tǒng)恒功率輸出的目的，加入了第三路輸入信號(hào)：電源電壓有效值平方的倒數(shù)，從而保證在寬范圍電壓供電時(shí)系統(tǒng)輸入電壓的前饋?zhàn)饔?，以?shí)現(xiàn)輸出功率的恒定。以上信號(hào)作為電流反饋控制基準(zhǔn)信號(hào)乘法器的三路輸入，經(jīng)合成后將輸出信號(hào)Ierr與存儲(chǔ)在ANA0寄存器中的輸入電流實(shí)測(cè)值IL比較，并將其差值送入電流放大器進(jìn)行處理，將輸出結(jié)果Iout送入下一級(jí)的PWM比較器中，產(chǎn)生相應(yīng)的控制MOS通斷的PWM脈沖，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)字化PFC功能[4]。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

電路輸入電壓有效值范圍為90V至265V，額定輸入電壓220V，頻率50Hz，輸出電壓為400V，開(kāi)關(guān)頻率為100KHz，輸出功率300W，效率為90%，且輸出電壓紋波控制在3%輸出電壓以?xún)?nèi)。

參照參考文獻(xiàn)設(shè)計(jì)要求，按照上述參數(shù)，選擇電感值828uh，輸入電容選擇0.824μF，輸出濾波電容選擇330μF/450V的電解電容，開(kāi)關(guān)管選擇意法半導(dǎo)體公司的IRF840，額定電流為8A，額定電壓為500V;二極管則采用了恩智浦半導(dǎo)體公司所生產(chǎn)的反向恢復(fù)時(shí)間僅為17.5ns的超快恢復(fù)二極管BYV29FX，其額定電流為9A，反向擊穿電壓為600V，不僅滿(mǎn)足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，還極大降低了因反向恢復(fù)現(xiàn)象所造成的功率損耗。信號(hào)處理器采用FREESCALE公司的MC56 F8013，其基于增強(qiáng)型內(nèi)核56800 E系列，內(nèi)部總線時(shí)鐘可達(dá)32MHz。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)包括主程序算法和定時(shí)中斷服務(wù)子程序兩部分。主程序可實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正系統(tǒng)初始化、軟啟動(dòng)以及各類(lèi)故障點(diǎn)的保護(hù)工作等。定時(shí)器中斷服務(wù)子程序主要用于實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)中所需控制量的采樣及其相應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換、前饋電壓值的計(jì)算、電流環(huán)反饋控制基準(zhǔn)信號(hào)的合成，從而實(shí)現(xiàn)電壓環(huán)和電流環(huán)相應(yīng)的控制工作[5]。本算法采用單中斷服務(wù)子程序的結(jié)構(gòu)，以防程序運(yùn)行中可能出現(xiàn)的嵌套問(wèn)題，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

主程序首先進(jìn)行功率因數(shù)校正系統(tǒng)及其各類(lèi)變量的初始化工作，主要包括系統(tǒng)中各類(lèi)變量的定義及賦初值工作，ADC、GPIO、PWM及定時(shí)器等模塊的初始化，以及中斷服務(wù)功能等的初始化工作，為后續(xù)的程序運(yùn)行提供保證。當(dāng)程序開(kāi)始運(yùn)行后，首先進(jìn)行軟啟動(dòng)環(huán)節(jié)來(lái)保證電路電流電壓的緩慢增長(zhǎng)，以維持系統(tǒng)的穩(wěn)定性。程序運(yùn)行時(shí)會(huì)循環(huán)檢測(cè)系統(tǒng)中的各類(lèi)故障標(biāo)志位，當(dāng)出現(xiàn)過(guò)流、過(guò)壓等異常狀態(tài)時(shí)，程序?qū)⒀杆偾辶鉖FC使能位并拉低PWM輸出，從而完成系統(tǒng)的保護(hù)功能。

中斷服務(wù)子程序的功能主要包括完成所需控制量的采樣及其相應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換、前饋電壓值的計(jì)算和電流環(huán)反饋控制基準(zhǔn)信號(hào)的合成，從而完成電壓環(huán)和電流環(huán)的控制工作，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功率因數(shù)校正的效果[6]。

4 仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 Matlab數(shù)字仿真

根據(jù)上述內(nèi)容，利用Matlab對(duì)平均電流CCM模式下的功率因數(shù)校正電路進(jìn)行仿真建模，仿真得到的輸入電壓、電流結(jié)果如圖2所示。

觀察仿真結(jié)果可知，輸入電流跟隨輸入電壓，兩者之間相位一致，呈現(xiàn)較理想的正弦波形，此功率因數(shù)校正電路的工作效果較為理想。

輸出電壓的紋波為正弦波，其頻率是輸入電壓的兩倍，在保持相同的輸出電容容值時(shí)，輸出紋波電壓隨負(fù)載的增加而增加，但無(wú)論負(fù)載如何變化，其紋波電壓的上述特性不會(huì)改變。直流母線輸出電壓平均值約維持在400V，紋波電壓的峰峰值也在20V以下，所占比例在3%的要求以?xún)?nèi)，設(shè)計(jì)滿(mǎn)足要求。

4.2 實(shí)驗(yàn)分析

根據(jù)前面分析設(shè)計(jì)，制作了300W數(shù)字化功率因數(shù)校正電路樣機(jī)，其校正效果如圖3所示，輸入側(cè)電流能夠很好的跟隨輸入電壓，功率因數(shù)校正效果顯著，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。PFC系統(tǒng)的輸出電壓紋波系數(shù)約為1.5%，其值滿(mǎn)足3%以?xún)?nèi)的設(shè)計(jì)要求。在整個(gè)輸入電壓范圍內(nèi)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，輸入電壓在120V-265V區(qū)間時(shí)，輸出電壓可維持在406V左右，設(shè)計(jì)滿(mǎn)足要求。

5 結(jié)語(yǔ)

本文主要圍繞飛思卡爾公司的數(shù)字控制器芯片MC56F8013，提出了在Boost拓?fù)渲谢谄骄娏鰿CM模式下PFC功率因數(shù)校正電路的數(shù)字化設(shè)計(jì)方案，分析了其硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及軟件程序流程，在此基礎(chǔ)上利用Matlab進(jìn)行了系統(tǒng)仿真并搭建了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明該數(shù)字系統(tǒng)具有良好的功率因數(shù)校正效果，有著較好的市場(chǎng)前景。

參考文獻(xiàn)

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[4] Barry Mather， Bhaskar Ramachandran and Dragan Maksimovic，A Digital PFC Controller without Input Voltage Sensing[J].IEEE Applied Power Electronics Conference （APEC） pp.198-204，2007.

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[6] 武香群.基于DSP控制的高頻開(kāi)關(guān)電源PFC研究與設(shè)計(jì)[D].天津大學(xué)，2007.