Boost型功率因數校正變換器的數字控制探究

楊鳳焓

（重慶金美通信有限責任公司，重慶 400030）

0 引 言

如今的社會不管在經濟還是物質建設上都是非常快速的，這種速度也帶動著電源領域的發展。在Boots型功率因數校正變換器的數字控制方面，如果一味地使用傳統模擬控制技術，必然影響變換器的使用性能。傳統控制技術除元器件多、體型大及結構復雜外，運行時可能會產生元件漂移、系統參數漂移等現象，給Boots型功率因數校正變換器的調試工作帶來不便。電路集成技術在新形勢下被不斷研發和提升，數字信號處理器不斷發展，促使其性能逐漸滿足了Boots型功率因數校正變換器的數字控制要求[1]。這種新型控制電路的性價比較傳統控制技術要高，且具有較高的兼容性和環保性，在滿足變換器數字控制的同時，滿足了可持續發展的戰略要求。

1 Boots型功率因數校正變換器

Boots型功率因數校正變換器是目前使用廣泛的校正電路。它的主電路由開關管、電感和電容等組成，還包括一個儲能電感，目的是減少電流紋波對變換器的損害，同時為主電路減小部分沖擊。高頻沖擊會直接傷害主電路，最終造成主電路短路等現象。一旦主電路損害，就會間接對整個整流器造成電流源負載，從而影響整個Boots型功率因數校正變換器的性能。PFC電路的完成任務有兩個。一是控制電感和電流，使電流輸入時保持正弦化。由于正弦化，Boots型功率因數校正變換器的失真因素會接近數字1，且電流的基波在輸入時會和輸入的電壓產生相位現象。二是控制電壓，保持一段時間內電壓的穩定性。持續模式下，使用電壓環和電流環兩個控制環[2]。外環使用電壓環，主要負責輸出電壓，保證電壓的穩定性；電流環作為內環裝置，主要控制電感和電流的運行狀態，以促進電感和電流的跟蹤及給定，有效減小電流輸入時產生的諧波。假設把一個開關周期內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，輸出功率將不會發生變化。

2 DSP下的Boots型功率因數校正變換器數字控制方案

2.1 DSP56F8323資源

DSP56F8323具有強大的功能，擁有足夠大的內核和豐富的外設資源，且具有較高的利用性。通常，大部分數字控制系統中的硬件資源都集中到DSP控制系統的硬件設計中，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中，完成了全部DSP的硬件系統設計。在DSP56F8323，外設的資源有很廣泛的設計模板，如脈寬調制模塊、寬調制模塊的輸出口、模數轉換模塊和其輸入口[4]。其中，脈寬調制模塊只有1個，輸出口6個；模數轉換模塊雖然只有4個，但輸入口有8個。此外，整個系統中還包括2個定時器單元，但總共有8個定時器，分布在定時器單元的周邊。DSP56F8323的結構部件較多，這些模塊能夠將DSP和DSP、DSP和外設及DSP和PC緊密連接，有助于系統控制和顯示狀態。

2.2 Boots型功率因數校正變換器的數字控制方案

數字PFC使用兩個控制環，采樣母線電壓后，對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過電壓環和調節器，最終的輸出表示是a，如圖1所示，將a和b、c相乘，可以得出內環電流的給定是Iref，就相當于Iref=abc。如果b為1U2ff，說明全波整流的電壓是平均數的倒數，這樣b是1U2ff，c是電壓[5]。假如P1調節器輸出了a，說明它決定電流環的給定值是多少，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完成任務后，輸入功率的穩定性對于整個DSP56F8323具有良好的促進作用，能夠使其不受電網產生電壓的影響。內環本身就是電流，所以它的速度相對更快。比較它的電流采樣值和電流環的給定值，經過電流環中的P1電壓環和G2調節器時，控制開關管的占空比。DSP的芯片主頻是60 MHz，單指令周期一般為16.6 ns，開關頻率100 MHz，重載頻率始終保持50 kHz。在電流環的采樣頻率同樣為50 kHz的基礎上，電壓環采樣的頻率為25 kHz，AD轉變需要的時間是1.7 μs[6]。通常情況下，采樣通道數是3。數字控制程序有兩個比較關鍵的組合，分別是數字控制程序和中斷服務子程序。中斷子程序中的功能包含了很多，其中最突出的是電壓計算模板、電流計算以及PWM的輸出，如表1所示。

圖1 數字PFC的整體控制框架圖

表1 中斷子程序介紹

3 系統仿真的實驗

以DSP56F8323進行數字控制實驗的驗證，具體實驗數據如表2所示。

4 結 論

系統仿真實驗的數據證明，Boots型功率因數校正變換器的數字控制可以使用理論和建模兩種方法。但是，按照理論測試出來的電壓環參數沒有任何差別，而這種方法也剛好適用于變換器[7]。假如在一個比較寬闊的電壓范圍內，因數將可能達到0.99或0.99以上，或是在較大的負載變化范圍中達到0.99以上。這和傳統的模擬控制技術的控制效果成正比，體現出Boots型功率因數校正變換器的數字控制系統的性能[8]。當前，人類社會已經步入大數據時代，所以Boots型功率因數校正變換器的數字控制有著較好的發展前景，并在電源領域取到了較好的應用。

表2 負荷效應實驗數據（Uinrms=220 V）