基于单周期控制的交互式PFC数字控制技术

基于单周期控制的交互式PFC数字控制技术
单周期控制交互式PFC 数字控制
1引言
单周期控制技术是一种大信号、非线性PWM控制技术[1]，具有较快的动态响应速度和输入扰动抑制特性，其基本控制思想是通过控制开关器件的占空比，使每个开关周期中开关变量的平均值严格等于或正比于控制参考量。

单周期PFC电路无需传统PFC电路中的乘法器和输入电压采样，大大简化了PFC电路的设计、缩小了PFC电路的体积、降低了电路成本。

数字实现的单周期功率因数校正技术在保证模拟单周期PFC技术优点的同时，克服了模拟单周期PFC技术控制参数固定、控制参数适应范围小的问题，正在得到越来越广泛的关注。

交互式功率因数校正技术就是为了增加大功率PFC变换器功率密度以及减小电感和电容的体积而设计的。

交互式PFC不仅能够有效减小电感量，而且有利于减小输出电容的纹波电流大小，因此在大功率PFC电路中得到较多的应用。

本文提出了一种基于单周期控制的交互式PFC数字控制技术，并对其进行了分析和研究。

2单周期交互式PFC数字控制原理
2.1 单周期PFC技术原理
交互式PFC是两路独立的以180度相位差输出的变换器。

由于它们的交互式工作，所以它们的纹波可以彼此进行对消，从而减小输入的纹波电流。

图1为单周期实现的交互式PFC变换器控制原理框图。

图1 单周期实现的交互式PFC原理框图
单周期PFC变换器的控制目标就是使图1中的变换器输入电流跟随整流后变换器的输入电压波形，同时又要保持输出电压稳定到给定值。

假定控制系统已经满足PFC变换器输入电流与输入电压成比例且相位一致，整个变换器可以等效为一个电阻Re，于是可以得到：
(1)
式中Re为PFC变换器的等效电阻，ig为电感电流瞬时值，ug为整流器输出直流电压瞬时值。

对于Boost型PFC变换器来说，在一个开关周期内，其输入电压ug、输出电压Uo和开关管占空比D的关系为：
(2)
所以可以得到：
(3)
定义Rs为PFC变换器中等效电流检测电阻，则有：
(4)
令，代入公式(4)可得：
(5)
式中T为开关周期。

可以构造以下控制方程组：
(6)
公式(6)即为单周期PFC的控制方程组，通过控制系统实现u1(t)和u2(t)，并对u1(t)和u2(t)进行比较就可以获得开关器件的开关占空比，从而就可以实现单周期功率因数校正。

2.2 单周期PFC数字实现原理
传统模拟单周期功率因数校正方案的核心是具有复位功能的高速积分器，利用硬件电路比较容易实现，而高速积分复位器利用数字算法实现起来比较复杂，需要占用较多的微处理芯片资源，因此需要对传统单周期功率因数校正技术进行改进，以利于数字实现。

由于数字控制系统中系统采样频率远高于输入电流的频率，数字控制系统中往往采用单周期单采样（SSOP）的信号采样方法，即在一个采样周期内只进行一次信号采样。

一般情况下系统的采样频率与开关频率一致，因此可认为在一个开关周期内，数字控制系统得到的电感电流iσ以及调节电压u m为恒定值，公式(7)对公式(6)进行如下离散化处理：
(7)
由于公式(7)中的um(nT)在每个开关周期内的值是不同的，用数字方法计算公式(7)比较困难，需要占用大量的DSP资源，因此需要对公式(7) 进行改进以利于数字实现。

由于在一个开关周期内um(nT)和ig(nT)的值是固定的，因此可以对公式(7)进行如下改进：
(8)
通过上述改进之后u1(t)和u2(t)可以很容易得通过DSP来实现，并通过对u1(t)和u2(t)进行比较，当u1(t) ＜u2(t)时开关导通，反之，开关关断，图2为采用上述控制算法的单周期PFC的控制框图。

图2 数字实现的单周期交互式PFC控制框图
对于数字控制的功率因数校正技术，往往采用单周期单采样（SSOP）的信号采样方法，而采样信号由于受开关噪声的影响在开关点上经常会出现高频振荡，因此需要采取合适的采样控制算法来避开在开关点附近进行信号采样。

通过软件计算出的开关信号占空比来确定开关器件的导通时间和关断时间，然后根据开关器件的导通时间和关断时间计算出一个最佳的信号采样点以进行信号采样。

通过采取这样的采样控制算法，可以得到一个较好的采样信号，进而保证了功率因数校正效果。

2.3 单周期交互式PFC的数字实现
传统模拟交互式PFC变换器中采用模拟方式来产生两路具有180°相位差的开关信号，往往具有外围电路复杂、控制一致性差的问题。

图2为采用单周期控制的交互式PFC变换器的数字控制框图，可以看出单周期PFC控制和两路具有180°相位差的开关信号全部采用DSP来实现，大大简化硬件电路设计，保证了控制一致性。

3实验验证
本文采用TI公司的DSP芯片TMS320F28035，设计了一套单周期PFC数字控制系统，控制系统主要参数如下：交流输入电压90~260VAC，功率器件开关频率20kHz，输出直流母线电压控制为350VDC，变换器Boost电感选取8mH，输出滤波电容选取1360μF/450V。

图3 输入电压、电流实验波形
（1-输入电压；2-输入电流）
图4 输出电压与电感电流实验波形
（1-电感L1电流；2-电感L2电流；
3-输出直流电压；4-输入电流）
图3为单周期PFC数字控制系统交流输入电压220VAC，输出功率1200W左右时的实验波形，其中图3为交流侧输入电压和输入电流的实验波形，图4为输出直流母线电压和两个电感电流实验波形。

由上述实验波形可见，输出直流母线电压可以稳定控制在350V左右，并且电压纹波较小；输入电流纹波明显小于两个电感电流纹波，并且输入电流波形与输入电压波形相位一致，采用本文提出的单周期交互式PFC数字控制方案取得了较好的功率因数控制效果。

4结束语
本文在分析传统单周期PFC技术控制原理的基础上，提出了一种数字实现简单、占用微处理芯片资源少的单周期PFC数字控制方案，与传统模拟单周期PFC技术相比该方案具有控制灵活、可靠性高、一致性好、成本低的特点，并将其应用到交互式PFC变换器中。

设计了基于TI公司TMS320F28035 DSP的数字控制系统对所提出数字控制方案进行了实验验证，实验结果表明了该数字控制方案的正确性及可行性。

该单周期交互式PFC数字控制技术的提出为交互式PFC技术提供了新的较好的实现方案，具有较高的实际应用价值。

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