数字控制有源功率因数校正器的设计(重要)

定稿日期：２００８－０２－１８作者简介：黄海宏（１９７３－），男，江西省清江人，副教授，研究方向为电力电子和传动方面。

１引言直流操作电源系统是发电厂、变电站中不可缺少的二次设备之一，由整流电源、蓄电池组和馈电部分组成。

通常情况下，整流电源的作用是ＡＣ／ＤＣ变换，在对蓄电池组充电的同时，通过馈电部分向直流负荷供电；在交流停电时，蓄电池组通过馈电部分向直流负荷供电，以保证直流负荷不停电。

目前，直流操作电源普遍采用高频开关电源模块并联运行方式，与传统的晶闸管相控电源相比，其技术指标优异，如稳压、稳流精度高，纹波系数低，易与阀控密封铅酸蓄电池组一起组成直流电源成套装置。

由于开关电源输入端有整流、电容平波电路，使其输入电流呈尖脉冲状，功率因数通常只有０．６～０．７，会对电网造成谐波污染，造成电力公害，干扰其他用电设备，使测量仪表产生较大误差。

为降低电源装置对电网的污染，电力用开关电源需加功率因数校正电路。

２有源功率因数校正基本原理目前，功率因数校正有无源功率因数校正（ＲＰＦＣ）和有源功率因数校正（ＡＰＦＣ）两种。

ＲＰＦＣ方法是在输入端加入电感量很大的低频电感，并降低滤波电容的容量，以减小滤波电容充电电流的尖峰，校正后的功率因数能达到０．９以上，一般用于三相输入的大功率开关电源模块［１］。

ＡＰＦＣ的基本思路是在输入端加入高频功率开关管及相应的控制器，如图１所示。

控制器通过采集交流输入电压、输入电流和输出电压信号，利用输出电压控制环的输出ｕｏ（ｔ）与输入整流后的电压ｕＡＣ（ｔ）相乘，得到一个电流参考信号ｉｒｅｆ（ｔ），用于控制功率管ＶＴ的导通和关断，使得电感Ｌ电流ｉＬ波形跟踪ｉｒｅｆ（ｔ）波形，从而使输入交流平均值波形跟随输入电压波形，成为与输入电压同相位的近似正弦波，而且可使功率因数接近于１，同时使输出电压ｕｏ（ｔ）得到控制［２］。

目前，国内ＡＰＦＣ方法主要用于单相输入的开关电源模块，其中采用ＵＣ３８５４作为ＡＰＦＣ的控制用集成电路较为普遍。

３数字控制ＡＰＦＣ电路随着计算机和信息技术的飞速发展，数字信号处理技术得到了迅速发展。

数字控制使得电力电子变换控制更为灵活，在ＣＰＵ计算速度允许的情况下，可以实现模拟控制难以做到的复杂控制算法，即使在控制对象改变的情况下，也无需修改控制器硬件，而只需修改某些参数，因此增强了系统的兼容性。

由于数字控制所采用的ＣＰＵ计算速度决定了数字控制系统的适用场合，故现在的数字控制多被用于数字控制有源功率因数校正器的设计黄海宏１，王海欣１，高格２，付鹏２（１．合肥工业大学，安徽合肥２３０００９；２．中国科学院等离子体物理研究所，安徽合肥２３００３１）摘要：直流电源系统是变电站的重要组成设备，它可为负载提供不间断电源，因此要求应用于直流电源的高频开关电源模块必须具备功率因数校正功能。

利用Ｆｒｅｅｓｃａｌｅ新型号ＭＣ５６Ｆ８０２５的高性能特性，完成了基于ＤＳＰ的具有软开关特性的数字控制有源功率因数校正（ＡｃｔｉｖｅＰｏｗｅｒＦａｃｔｏｒＣｏｒｒｅｃｔｉｏｎ，简称ＡＰＦＣ）电路的设计，描述了系统设计过程。

最后通过２．２ｋＷ的实验样机验证了数字控制的优良特性。

关键词：功率因数；数字控制／有源功率因数校正；开关电源；软开关中图分类号：ＴＭ７１４．１文献标识码：Ａ文章编号：１０００－１００Ｘ（２００８）０５－００１７－０３ＤｅｓｉｇｎｏｆＤｉｇｉｔａｌＣｏｎｔｒｏｌＡｃｔｉｖｅＰｏｗｅｒＦａｃｔｏｒＣｏｒｒｅｃｔｉｏｎＲｅｃｔｉｆｉｅｒＨＵＡＮＧＨａｉ－ｈｏｎｇ１，ＷＡＮＧＨａｉ－ｘｉｎ１，ＧＡＯＧｅ２，ＦＵＰｅｎｇ２（１．ＨｅｆｅｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｅｆｅｉ２３０００９，Ｃｈｉｎａ；２．ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＰｌａｓｍａＰｈｙｓｉｃｓ，ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅ，Ｈｅｆｅｉ２３００３１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅＤＣｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｉｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｄｅｖｉｃｅｉｎｓｕｂｓｔａｔｉｏｎｓ，ｉｔｃａｎｓｕｐｐｌｙｕｎｉｎｔｅｒｒｕｐｔｅｄｐｏｗｅｒｆｏｒｌｏａｄ，ｔｈｅｈｉｇｈｆｒｅｑｕｅｎｃｙｓｗｉｔｃｈｍｏｄｅｐｏｗｅｒｍｏｄｕｌｅｍｕｓｔｈａｖｅｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆｐｏｗｅｒｆａｃｔｏｒｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ．ＢａｓｅｄｏｎｎｅｗＤＳＰｃｈｉｐＭＣ５６Ｆ８０２５，ａｄｉｇｉｔａｌａｃｔｉｖｅｐｏｗｅｒｆａｃｔｏｒｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎｒｅｃｔｉｆｉｅｒｗｉｔｈｓｏｆｔｓｗｉｔｃｈｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄ，ｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｓｙｓｔｅｍｄｅｓｉｇｎｗａｓｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．Ａｔｌａｓｔａ２．２ｋＷｐｒｏｔｏｔｙｐｅｗａｓｂｕｉｌｔｔｏｖｅｒｉｆｙｔｈｅｆａｖｏｒａｂｌｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｒｅｓｕｌｔｅｄｆｒｏｍｄｉｇｉｔａｌｃｏｎｔｒｏｌ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｏｗｅｒｆａｃｔｏｒ；ｄｉｇｉｔａｌｃｏｎｔｒｏｌ／ａｃｔｉｖｅｐｏｗｅｒｆａｃｔｏｒｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ；ｓｗｉｔｃｈｍｏｄｅｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙ；ｓｏｆｔｓｗｉｔｃｈｉｎｇ图１有源功率因数校正电路框图１７图２数字控制有源功率因数校正器框图图３数字控制功率因数校正算法结构计算速度要求不太苛刻的场合，例如ＵＰＳ和逆变器控制等，其计算频率一般小于２０ｋＨｚ。

而对于控制频率大于１００ｋＨｚ的高频功率变换，目前主要还是以模拟器件控制为主。

随着ＤＳＰ的应用逐渐普及，用ＤＳＰ取代模拟电路中的专用ＰＷＭ集成电路，实现电力用高频开关电源数字控制已成为研究的热点。

这里采用ＭＣ５６Ｆ８０２５数字信号处理器作为控制芯片，实现ＡＰＦＣ的数字控制。

ＭＣ５６Ｆ８０２５是５６８００Ｅ系列的１６位定点ＤＳＰ，采用双哈佛结构，主频可达３２ＭＨｚ，运算能力达３２ＭＩＰＳ，单指令周期可完成１６×１６位并行乘加运算，具有４个带扩展位的３６位累加器，３条内部地址总线和４条内部数据总线，内置１６ｋｂｙｔｅ的Ｆｌａｓｈ和２ｋｂｙｔｅ的ＲＡＭ，６路ＰＷＭ输出和双４路ＡＤＣ等其他丰富的外设资源。

图２电路中，数字控制器采样全波整流电压、输入电流和输出直流电压３个变量，送入ＤＳＰ处理。

电压外环Ｇ１保证输出直流电压稳压在给定值，电压环的输出Ｕｒ决定电流环给定的幅值。

ＤＳＰ软件程序生成的数字纯正弦电流波形给定Ｉｓｈａｐｅ决定电流环给定的形状，保证输入电流的正弦化。

输入电压的采样不仅决定了输入电流的过零点，保证输入电流与输入电压相位一致，同时输入电压前馈也加速了输入变化时系统的响应速度。

电流内环Ｇ２将输入电流采样值Ｉｉｎ与电流环给定Ｉｒｅｆ相比较，经电流环的ＰＩ调节器产生变化的占空比参数，通过ＰＷＭ０／ＰＷＭ１控制功率管的驱动波形，以达到校正输入功率因数校正和稳定输出电压的目的。

传统ＡＰＦＣ电路中，主功率管工作在硬开关状态，开通时的电流上升和电压下降及关断时的电流下降和电压上升均同时发生，会造成较大的开关损耗。

为克服硬开关的缺点，在ＰＦＣ电路中引入了带软开关辅助网络的零电压转换ＰＷＭ电路［３］。

通过在主开关管ＶＴ１两端并联缓冲电容Ｃ２可限制ＶＴ１关断时的电压上升率，降低ＶＴ１的关断损耗。

辅助功率管ＶＴ２先于ＶＴ１导通，使Ｃ２与Ｌ２构成的谐振回路工作，当ＶＴ１两端电压下降到零时，其内部的反并二极管导通箝位，实现ＶＴ１零电压导通。

４数字控制ＡＰＦＣ软件设计图３所示ＡＰＦＣ算法结构分成三部分。

电压外环实现输出直流电压跟随给定电压，实现稳压输出；电流给定算法计算电流波形给定，并完成恒功率电压前馈；电流内环实现输入交流电流跟随输入电流给定，完成功率因数校正。

在传统ＡＰＦＣ模拟控制算法中，电流波形给定以输入电压波形为依据，同时为达到恒功率电流均值控制，电流环的给定以输入电压有效值平方作为倒数：ｉ＊＝ＫｍｕｏｒｅｇＵｆｆ２Ｕｓｓｉｎ!０ｔ（１）式中：ｉ＊为输入电流给定；Ｋｍ为比例系数；ｕｏｒｅｇ为电压调节器的输出电压；Ｕｓ为输入电压峰值；Ｕｆｆ为前馈电压的有效值。

在模拟电路实现ＡＰＦＣ算法中，由于将输入电压波形作为输入电流波形的给定，会将输入电压的纹波带入输入电流控制，若电源外界工作环境不佳，会影响电源的输入功率因数校正效果。

而在基于ＤＳＰ的数字控制中，正弦给定可方便地由ＤＳＰ内部软件完成，给定波形为纯净的正弦波，不受输入电压的影响，其算法公式为：ｉ＊＝ＫｍｕｏｒｅｇＵｆｆ２Ｉｓｈａｐｅ（２）考虑到电网电压频率会发生波动，数字正弦给定波形的频率应随输入电压频率的变化而变化。

在ＤＳＰ程序中量化正弦表的点数固定，在读表频率一定时，需实时改变读表步长。

设Ｎ为总的读表次数；Ｍ为顺序读表次数，则第Ｍ次读表时对应的读表步长，即当前读表指针应跨过的正弦表点数为：Ｎｓｔｅｐ＝（Ｓｐ－１）ＭＮ（３）式中：Ｓｐ为正弦表总点数；ｆｒ为读表频率，是由软件设定的固定值；ｆｓ为输入电压两倍频率（输入电压采样为整流后的全波电压波形），可通过采样结果进行周期判断得到；Ｎ＝ｆｒ／ｆｓ；Ｍ＝１，２，３……Ｎ。

同时通过硬件捕获输入电压过零点，在捕获中断中将正弦给定读表指针归零，实现输入电压与ＤＳＰ内部正弦给定的同步。

在数字控制系统中，电压环和电流环调节器均采用数字ＰＩ调节器。

ＰＩ调节器通过控制偏差进行控制，控制偏差为给定值ｒ（ｔ）与实际输出值ｃ（ｔ）的差１８图４输入电压和输入电流波形ｕｉｎ／Ｖｉｉｎ／ＡＵｏ／ＶＴＨＤｉｉｎ％!模拟电路数字电路模拟电路数字电路２２４．０１．６３８２．２２４．８１６．６０．９６８０．９８４２２３．４３．０３８２．２１２．２８．８０．９８３０．９９４２２２．１７．２３８２．１１０．８４．００．９９１０．９９６２２１．６８．６３８２．１１０．５３．６０．９９３０．９９７２２０．１１０．１３８２．０１０．４３．２０．９９４０．９９７２１９．８１１．４３８１．９１０．２３．００．９９４０．９９７表１模拟电路和数字电路实验数据对比值，即ｅ（ｔ）＝ｒ（ｔ）－ｃ（ｔ）。

将偏差的比例Ｐ和积分Ｉ通过组合构成控制量，对被控对象进行控制：ｕ（ｔ）＝Ｋｐｅ（ｔ）＋１Ｔｓｔ０!ｅ（ｔ）ｄ"#ｔ（４）式中：ｕ（ｔ）为ＰＩ调节器输出；ｅ（ｔ）为ＰＩ调节器输入；Ｋｐ为比例系数；ＴＩ为积分时间常数。

由于ＤＳＰ控制是一种离散的数字控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量，因此必须对上式进行离散化处理，用一系列采样时刻点ｋ代表连续的时间ｔ，离散的ＰＩ控制算法表达式为：ｕ（ｋ）＝Ｋｐｅ（ｋ）＋ＴｓＴｉｋｊ＝０$ｅ（ｊ%&）＝Ｋｐｅ（ｋ）＋Ｋｉｋｊ＝０$ｅ（ｊ）（５）式中：ｋ＝０，１，２……表示序列；ｕ（ｋ）为第ｋ次采样时刻ＰＩ调节器的输出值；ｅ（ｋ）为第ｋ次采样时刻输出的偏差值；Ｔｓ为采样周期；Ｔｉ为积分时间常数；Ｋｉ为积分系数。