采用DsPIC30F4011實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)升壓型AC/DC轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本文以升壓型轉(zhuǎn)換器為AC-DC功率因數(shù)校正整流器的基本結(jié)構(gòu)，控制核心采用DsPIC30F4011數(shù)字信號(hào)處理器，利用主動(dòng)式功率因數(shù)校正技術(shù)的平均電流控制法，提高功率因數(shù)，減少輸入電流諧波。為避免高功率因數(shù)轉(zhuǎn)換器電壓回路系統(tǒng)的帶寬限制，額外加入負(fù)載電流以改善負(fù)載變動(dòng)時(shí)輸出電壓的暫態(tài)響應(yīng)。詳細(xì)分析轉(zhuǎn)換器、系統(tǒng)建模及控制器設(shè)計(jì)，開發(fā)一個(gè)450W的數(shù)字升壓型功率因數(shù)校正轉(zhuǎn)換器，通過試驗(yàn)驗(yàn)證轉(zhuǎn)換器的高功率因數(shù)性能及輸入電壓幅值變動(dòng)和負(fù)載變動(dòng)時(shí)，輸出電壓的穩(wěn)壓性能。

傳統(tǒng)AC/DC整流器因橋式整流器和濾波電容在整流過程中產(chǎn)生脈沖電流，造成低功率因數(shù)及電流諧波，需要對(duì)功率因數(shù)進(jìn)行校正。理想的AC/DC轉(zhuǎn)換器應(yīng)具有兩種特性：從電網(wǎng)端看須具備高功率因數(shù)的特性，從負(fù)載端看要有穩(wěn)壓性能。主動(dòng)功率因數(shù)校正電路在運(yùn)行校正電路連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）下，電路不具備功率因數(shù)校正的能力，需控制輸入電流，使輸入電流隨輸入電壓波形及相位變化來提高功率因數(shù)。利用平均電流控制的功率因數(shù)校正轉(zhuǎn)換器對(duì)負(fù)載變動(dòng)及輸出電壓的暫態(tài)響應(yīng)較為遲緩，且需要復(fù)雜的控制電路及額外的乘/除器，數(shù)字電路等。而Figures提出的負(fù)載電流法能有效改善輸出電壓暫態(tài)響應(yīng)及穩(wěn)壓特性。

本文以數(shù)字信號(hào)處理器DsPIC30F4011為基礎(chǔ)，采用平均電流控制法與負(fù)載電流注入控制法實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制高功率因數(shù)升壓型AC/DC轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)包括內(nèi)回路電流控制、外回路電壓控制及負(fù)載電流注入控制，通過該系統(tǒng)能在負(fù)載和輸入電壓幅值變動(dòng)時(shí)，提高轉(zhuǎn)換器的功率因數(shù)及輸出電壓的穩(wěn)壓性能。

1 升壓型轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)

以數(shù)字信號(hào)處理器為基礎(chǔ)的數(shù)字控制高功率因數(shù)轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中內(nèi)回路系統(tǒng)電流控制的作用是使輸入電流隨輸入電壓變化，以達(dá)到高功率因數(shù)性能;外回路電壓控制作用是當(dāng)輸入電壓幅值及負(fù)載變動(dòng)時(shí)，整流器都能具有良好的輸出穩(wěn)壓性能;負(fù)載電流注入控制的作用是將負(fù)載電流狀態(tài)納入反饋控制電路，以改善輸出電壓的暫態(tài)響應(yīng)特性。

以平均電流控制法為基礎(chǔ)的高功率因數(shù)升壓型轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)方框圖如圖2所示，為設(shè)計(jì)內(nèi)回路電流控制器及外回路電路電壓控制器，以提高系統(tǒng)功率因數(shù)及輸出穩(wěn)壓性能，首先必須對(duì)升壓型轉(zhuǎn)換器進(jìn)行分析，并建立受控系統(tǒng)模型，得出相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，以此作為控制器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。

2 高功率因數(shù)升壓型轉(zhuǎn)換器分析與建模

2.1 升壓型轉(zhuǎn)換器分析

高功率因數(shù)升壓型轉(zhuǎn)換器如圖3所示，經(jīng)過橋式整流的電壓源

的全波波型，線電壓半周期為

。在穩(wěn)態(tài)分析前，假設(shè)：（1）切換周期Ts，開關(guān)導(dǎo)通比d;（2）電路運(yùn)行在連續(xù)導(dǎo)通模式;（3）輸出電容足夠大，使輸出電壓為固定值V0。

在穩(wěn)態(tài)下，利用伏秒平衡定理有：

（1）

整理可得：

（2）

因?yàn)閛d（t）1，輸出電壓V0恒大于輸入電壓Vg。穩(wěn)態(tài)時(shí)，輸入電壓與導(dǎo)通比變化關(guān)系如圖4。

2.2 內(nèi)回路電流控制系統(tǒng)建模

內(nèi)回路電流控制的目的是讓平均輸入電流隨輸入電壓波形變化，以達(dá)到高功率因數(shù)。通過對(duì)比感測(cè)電壓Vidg與參考電壓Viigref，得到誤差信號(hào)ei，如圖2所示。在經(jīng)過電流控制器CI（S）和脈沖寬度調(diào)制器產(chǎn)生導(dǎo)通比d的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制開關(guān)的開和關(guān)，使平均輸入電流隨輸入電壓變化［9-10］。

為設(shè)計(jì)電流控制器，需建立控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。本文利用狀態(tài)空間平均法對(duì)升壓型轉(zhuǎn)換器作交流小信號(hào)分析，推導(dǎo)出控制系統(tǒng)的輸出函數(shù)，作為CI（S）的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。小信號(hào)分析可分為以下步驟：

1. 電路狀態(tài)方程：升壓型轉(zhuǎn)換器如圖3，若開關(guān)S打開，則二極管關(guān)閉，方程為：

（3）

（4）

若開關(guān)S關(guān)閉，則二極管打開，方程為：

（5）

（6）

2. 線性化：對(duì)電感電流iL，輸入電壓Vg，電容電壓Vc0，導(dǎo)通比d，忽略直流項(xiàng)及交流乘積項(xiàng)，可得線性方程式：

（7）

（8）

3. 傳遞函數(shù)：求出輸出信號(hào)

對(duì)控制信號(hào)導(dǎo)通比

的傳遞函數(shù)為：

（9）

2.3 外回路電壓控制系統(tǒng)建模

假設(shè)內(nèi)回路電流控制器CI（S）設(shè)計(jì)合理，使平均輸入電流隨輸入電壓變化，利用平均功率法，對(duì)外回路電壓控制系統(tǒng)的控制系統(tǒng)建模，求出傳遞函數(shù)，作為電壓控制器的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，以達(dá)到輸出電壓的穩(wěn)壓性能。如圖2所示的功率因數(shù)校正轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)方框圖，可得：

（10）

當(dāng)

隨Vg（t）變化，則

，

可表示為：

（11）

假設(shè)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換效率為100%，即Pin（t）=P0（t），則平均輸入功率為：

（12）

其中，Vg（t）的均方根值為Vg（nms） 與平均值為Vg（dc） 的比值為

。因此，平均輸出功率為：

（13）

因此可得：

（14）

根據(jù)理想高功率因數(shù)轉(zhuǎn)換器的無損電阻器模式，如圖5所示。對(duì)于線電壓半周期T2L的移動(dòng)平均值而言，控制信號(hào)發(fā)VCV與輸入電壓平均值Vg（dc） 的變化相當(dāng)緩慢，可視為常數(shù)。

由式（12）和式（14）求得：

（15）

另一方面，因?yàn)?/p>

，所以：

（16）

直流分析：由式（15）和（16）可得直流工作點(diǎn)

（17）

交流分析：忽略直流項(xiàng)與交流高次項(xiàng)，可得：

（18）

（19）

求得控制信號(hào)

至輸出電壓

之間的傳遞函數(shù)為：

（20）

3 控制器設(shè)計(jì)與負(fù)載電流注入法

設(shè)計(jì)一個(gè)高功率因數(shù)升壓型AC/DC轉(zhuǎn)換器，其規(guī)格為輸入電壓90~130Vrms、輸出電壓312V、最大輸出功率450W。元件參數(shù)為電感L=1Mh，輸出電容Co=848uF，負(fù)載RL=216，功率開關(guān)切換頻率fs=100kHz。

高功率因數(shù)升壓型轉(zhuǎn)換器的內(nèi)回路電流控制方框圖如圖6所示，脈沖寬度調(diào)制等效增益為1/10;將電氣型號(hào)與元件參數(shù)值代入式（9）可得：

（21）

設(shè)計(jì)的電流控制器CI（S）為PI控制器GI（s）＝0.4＋900/s （22）

得到內(nèi)回路電流控制系統(tǒng)頻率與響應(yīng)，系統(tǒng)的頻寬為1.33Hz，滿足內(nèi)回路系統(tǒng)頻寬遠(yuǎn)大于120kHz的要求。

高功率因數(shù)轉(zhuǎn)換器的外回路電壓控制系統(tǒng)方框圖如圖7所示，為了使輸入電壓V0不受輸入電壓Vm幅值變動(dòng)及負(fù)RL載變動(dòng)的影響，設(shè)計(jì)穩(wěn)壓控制器Cv（s），以達(dá)到穩(wěn)壓性能。實(shí)際中降壓比Kv=1/39、Kf=1/104，調(diào)整比Km=1000，代入公式（20） 得：

（23）

設(shè)計(jì)穩(wěn)壓控制器Cv（s）為積分器與相位超前控制器的組合

（24）

可得外回路電壓控制系統(tǒng)頻率響應(yīng)的波特圖如8所示，系統(tǒng)的頻寬約為74.9rad/s=11.9Hz，滿足步階響應(yīng)的穩(wěn)態(tài)誤差為零及外回路系統(tǒng)頻寬在10Hz~20Hz的要求。

為實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制，將控制器傳遞函數(shù)轉(zhuǎn)換成離散時(shí)間狀態(tài)的空間表示式，在取樣頻率為6kHz下，得到電流控制器為：

（25）

（26）

同樣地，在取樣頻率為2kHz下，可得電壓控制器離散狀態(tài)空間表示為：

（27）

（28）

在外回路電壓控制器設(shè)計(jì)上，為減少控制器信號(hào)與乘法器信號(hào)受120Hz輸出電壓的影響，降低了功率因數(shù)的性能，所以外回路系統(tǒng)的頻寬通常設(shè)計(jì)在10Hz~20Hz之間。因此，在負(fù)載變動(dòng)時(shí)，輸出電壓很難恢復(fù)至穩(wěn)壓狀態(tài)。本文利用負(fù)載電流注入法將負(fù)載電流狀態(tài)作為控制反饋，以改善輸出電壓的暫態(tài)響應(yīng)。負(fù)載電流注入法是將負(fù)載電流接入控制回路，當(dāng)負(fù)載發(fā)生變動(dòng)時(shí)，立刻產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)輸入電流的參考信號(hào)，改善外回路電壓控制器緩慢的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

4 數(shù)字控制系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證

以16位數(shù)字信號(hào)處理器DsPIC30F4011為基礎(chǔ)，完成數(shù)字控制高功率因數(shù)升壓型轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)。在試驗(yàn)驗(yàn)證過程中，輸入電壓90~130 Vrms、輸出電壓312 V、最大輸出功率450 W的高功率因數(shù)升壓型AC/DC轉(zhuǎn)換器。試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果如下：

圖9為輸入電壓110Vrms、輸出功率450W時(shí)，輸入電壓Vin和電流iin的實(shí)際波型，利用萬用表測(cè)量的功率因數(shù)值為0.968，說明了該設(shè)計(jì)系統(tǒng)的高功率因數(shù)特性。

隨后，對(duì)系統(tǒng)輸出電壓的穩(wěn)壓性能進(jìn)行測(cè)試，針對(duì)輸入電壓從110 V變動(dòng)到130 V，再從110 V變到90 V，輸出的電壓響應(yīng)如圖10（a）。當(dāng)負(fù)載從250 W變動(dòng)到450 W時(shí)，輸出的電壓響應(yīng)如圖10（b）。當(dāng)額外加入負(fù)載電流且負(fù)載變動(dòng)同時(shí)發(fā)生時(shí)，輸出的電壓響應(yīng)如圖10（c）。比較圖10（b）和10（c），圖10（c）的輸出電壓變動(dòng)較小時(shí)，負(fù)載電流注入法具有較高的穩(wěn)壓效果。當(dāng)Vin=110 Vrms時(shí)，針對(duì)不同輸出功率，測(cè)得高功率因數(shù)升壓型轉(zhuǎn)換器的功率因數(shù)曲線如圖11（a）所示，在Po=450W時(shí)，功率因數(shù)最高可達(dá)0.966。針對(duì)不同輸出功率，測(cè)量高功率因數(shù)升壓型轉(zhuǎn)換器的效率曲線如圖11（b）所示，在Po=450W時(shí)，效率最高可達(dá)92.2%。

5 結(jié)論

本文以升壓型轉(zhuǎn)換器為AC/DC功率因數(shù)校正整流器的基本結(jié)構(gòu)，以數(shù)字信號(hào)處理器DsPIC30F4011為控制核心，應(yīng)用主動(dòng)式功率因數(shù)校正技術(shù)的平均電流控制法，使平均輸入電流隨輸入電壓波形變化，以提高功率因數(shù)性能。利用負(fù)載電流注入控制法，改善輸出電壓動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢的缺點(diǎn)。最后設(shè)計(jì)輸出功率為450W的高功率因數(shù)升壓型轉(zhuǎn)換器并進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，該功率因數(shù)升壓型轉(zhuǎn)換器符合電流諧波的高功率因數(shù)特性，并且在輸入電壓幅值變動(dòng)及負(fù)載變動(dòng)時(shí)，輸出具有良好的穩(wěn)壓特性。

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