數(shù)字控制有源功率因數(shù)校正器的設(shè)計

1、數(shù)字控制有源功率因數(shù)校正器的設(shè)計摘要：直流電源系統(tǒng)是變電站的重要組成設(shè)備,其為負(fù)載提供不間斷電源，應(yīng)用于直流電源的高頻開關(guān)電源模塊須具備功率因數(shù)校正功能。利用Freescale新型號MC56F8025的高性能特性，完成了基于DSP的具有軟開關(guān)特性的數(shù)字控制有源功率因數(shù)校正電路的設(shè)計，描述了系統(tǒng)設(shè)計過程。最后通過2.2kW的實驗樣機(jī)驗證了數(shù)字控制帶來的優(yōu)良特性。 關(guān)鍵詞：有源功率因數(shù)校正；DSP；開關(guān)電源；軟開關(guān)中圖分類號：TM4Design of Digital Control Active Power Factor Correction RectifierHUANG Hai-hong1，Wa

2、ng Hai-xin1，GAO Ge2，F(xiàn)u Peng2 (1Hefei University of Technology，Hefei ，China；2Institute of Plasma Physics，Chinese Academy of Science，Hefei ，China) Abstract：The DC power supply is an important device in substations，it can supply uninterrupted power for load，the high frequency switch mode power module m

3、ust have function of power factor correction. Based on Freescale new DSP chip-MC56F8025，an digital active power factor correction rectifier with soft switch characteristic was designed，the process of system design was described. At last a 2.2kW prototype was built to verify the favorable performance

4、 resulted from digital control.Key words：active power factor correction；DSP；switch mode power supply；soft switch1引言直流操作電源系統(tǒng)是發(fā)電廠、變電站中不可缺少的二次設(shè)備之一，其由整流電源、蓄電池組和饋電部分組成。通常情況下，整流電源進(jìn)行AC-DC變換，對蓄電池組充電的同時，通過饋電部分向直流負(fù)荷供電；在交流停電時，蓄電池組通過饋電部分向直流負(fù)荷供電，可以保證直流負(fù)荷不停電。直流操作電源雖然在二次設(shè)備中所占比重很小，但它的可靠性直接影響發(fā)電廠和變電站設(shè)備的安全可靠運行。目前直流操作電

5、源已普遍采用高頻開關(guān)電源模塊并聯(lián)運行方式，與傳統(tǒng)的晶閘管相控電源相比，其技術(shù)指標(biāo)優(yōu)異，如穩(wěn)壓、穩(wěn)流精度高，紋波系數(shù)低，與閥控密封鉛酸蓄電池組易組成直流電源成套裝置。開關(guān)電源由于輸入端有整流、電容平波電路，使其輸入電流呈尖脈沖狀，功率因數(shù)通常只有0.60.7，會對電網(wǎng)造成諧波污染，造成電力公害，干擾其它用電設(shè)備，使測量儀表產(chǎn)生較大誤差。為降低電源裝置對電網(wǎng)的污染，EMI及EMC的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對不同功率等級電源裝置的功率因數(shù)及諧波電流值有明確的規(guī)定，因此電力用開關(guān)電源需加功率因數(shù)改善電路。2有源功率因數(shù)校正基本原理目前功率因數(shù)校正功率有兩種方法：無源功率因數(shù)校正（PFC）和有源功率因數(shù)校正（APFC）

6、。無源功率因數(shù)校正方法是在輸入端加入電感量很大的低頻電感，并降低濾波電容的容量，以減小濾波電容充電電流的尖峰，校正后的功率因數(shù)能達(dá)到0.9以上，一般用于三相輸入的大功率的開關(guān)電源模塊。1 APFC的基本思路是在輸入端加入高頻功率開關(guān)管及相應(yīng)的控制器，如圖1所示，控制器通過采集交流輸入電壓、輸入電流和輸出電壓信號，利用輸出電壓控制環(huán)的輸出UO(t)與輸入整流后的電壓UAC(t)相乘，得到一個電流參考信號Iref(t)，用于控制功率管V的導(dǎo)通和關(guān)斷，使得電感L中電流波形跟蹤Iref(t)波形，從而使輸入交流平均值波形跟隨輸入電壓波形,成為與輸入電壓同相位的近似正弦波，可使功率因數(shù)接近于1，同時輸出

7、電壓UO(t)得到控制。2目前國內(nèi)有源功率因數(shù)校正方法主要用于單相輸入的開關(guān)電源模塊，其中采用美國Unitrode IC公司的UC3854作為APFC的控制用集成電路較為普及。圖1 有源功率因數(shù)校正電路框圖3數(shù)字控制APFC電路隨著計算機(jī)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字信號處理技術(shù)得到了迅速的發(fā)展。數(shù)字控制使得電力電子變換控制更為靈活，在CPU計算速度允許的情況下，可以實現(xiàn)模擬控制難以做到的復(fù)雜控制算法，設(shè)計者可以根據(jù)自己的系統(tǒng)需求，方便地更改控制器參數(shù)，即便是在控制對象改變的情況下，也不需要對控制器硬件做修改，只要改變某些軟件參數(shù)即可，從而大大增強(qiáng)了系統(tǒng)的兼容性。由于數(shù)字控制所采用的CPU計算速度

8、決定了數(shù)字控制系統(tǒng)的適用場合，故現(xiàn)在數(shù)字控制多被用于計算速度要求不太苛刻的場合，例如，UPS和逆變器控制等，計算頻率一般小于20kHz，而控制頻率大于100kHz的高頻功率變換目前主要還是以模擬器件控制為主。隨著DSP的應(yīng)用逐漸普及，用DSP取代模擬電路中的專用PWM集成電路，實現(xiàn)電力用高頻開關(guān)電源數(shù)字控制已成為研究的熱點。本文采用Freescale（飛思卡爾）的MC56F8025數(shù)字信號處理器作為控制芯片，實現(xiàn)有源功率因數(shù)器的數(shù)字控制。MC56F8025是56800E系列的16位定點DSP，采用雙哈佛結(jié)構(gòu)，主頻可達(dá)32MHz，運算能力達(dá)32兆條指令/秒，單指令周期可完成1616位并行乘加運算

9、，具有4個帶擴(kuò)展位的36位累加器，3條內(nèi)部地址總線和4條內(nèi)部數(shù)據(jù)總線，內(nèi)置16k字Flash和2k字節(jié)RAM，6路PWM輸出和雙4路ADC等其它豐富的外設(shè)資源。圖2 數(shù)字控制有源功率因數(shù)校正器框圖 如圖2所示，在基于MC56F8025的APFC電路中，數(shù)字控制器采樣全波整流電壓、輸入電流和輸出直流電壓三個變量，送入DSP處理。電壓外環(huán)G1保證輸出直流電壓穩(wěn)壓在給定值，電壓環(huán)的輸出Vr決定電流環(huán)給定的幅值。數(shù)字正弦電流波形給定Ishape決定電流環(huán)給定的形狀，保證輸入電流的正弦化。輸入電壓的采樣不僅決定了輸入電流的過零點，保證輸入電流與輸入電壓相位一致，同時輸入電壓前饋也加速了輸入變化時系統(tǒng)的響

10、應(yīng)速度。電流內(nèi)環(huán)G2將輸入電流采樣值Iin與電流環(huán)給定Iref相比較，經(jīng)電流環(huán)的PI調(diào)節(jié)器產(chǎn)生變化的占空比參數(shù)，通過PWM0/1控制功率管的驅(qū)動波形，達(dá)到輸入功率因數(shù)校正和穩(wěn)定輸出電壓的目的。在傳統(tǒng)的APFC電路中，主功率管工作在硬開關(guān)狀態(tài)，開通時的電流上升和電壓下降及關(guān)斷時的電流下降和電壓上升均同時發(fā)生，會造成較大的開關(guān)損耗，當(dāng)開關(guān)頻率較高時，開關(guān)損耗遠(yuǎn)大于開通時導(dǎo)通壓降帶來的損耗。為克服上述硬開關(guān)的缺點，本文在功率因數(shù)校正電路中引入帶軟開關(guān)輔助網(wǎng)絡(luò)的零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路3。通過在主開關(guān)管V1兩端并聯(lián)緩沖電容C2可限制V1關(guān)斷時的電壓上升率，降低了V1的關(guān)斷損耗。輔助功率管V2先于V1導(dǎo)通，

11、使C2與L2構(gòu)成的諧振回路工作，當(dāng)V1兩端電壓下降到零時，V1內(nèi)部的反并二極管導(dǎo)通鉗位，實現(xiàn)V1零電壓導(dǎo)通。4數(shù)字控制APFC軟件設(shè)計根據(jù)功率因數(shù)校正原理，可將APFC算法結(jié)構(gòu)分成三部分，如圖3所示：電壓外環(huán)，給定算法和電流內(nèi)環(huán)。電壓外環(huán)實現(xiàn)輸出直流電壓跟隨給定電壓，實現(xiàn)穩(wěn)壓輸出；電流給定算法計算電流波形給定，并完成恒功率電壓前饋；電流內(nèi)環(huán)實現(xiàn)輸入交流電流跟隨輸入電流給定，完成功率因數(shù)校正。圖3 數(shù)字控制功率因數(shù)校正算法結(jié)構(gòu) 在傳統(tǒng)APFC模擬控制算法中，電流的波形給定以輸入電壓波形作為依據(jù)，同時為達(dá)到恒功率電流均值控制，電流環(huán)的給定將輸入電壓有效值平方作為倒數(shù)，如下式所示：式中：i*為輸入電

12、流給定；Km為比例系數(shù)；vv O為電壓調(diào)節(jié)器的輸出；Vs為輸入電壓峰值；Vff為前饋電壓的有效值。在模擬電路實現(xiàn)的APFC算法中，由于將輸入電壓波形作為輸入電流的波形給定，會將輸入電壓的紋波帶入輸入電流控制，若電源外界工作環(huán)境不佳，會影響電源的輸入功率因數(shù)校正效果。而在基于DSP的數(shù)字控制中，正弦給定可以方便地由DSP內(nèi)部軟件完成，給定波形為純凈正弦，不受輸入電壓的影響，其算法公式見下：式中Ishape為DSP軟件程序生成的純正弦給定?？紤]到電網(wǎng)電壓頻率會發(fā)生波動，數(shù)字正弦給定波形的頻率應(yīng)隨輸入電壓頻率的變化而變化。在DSP程序中量化正弦表的點數(shù)固定，在讀表頻率一定時，須實時改變讀表步長。設(shè)N

13、為總的讀表次數(shù)，M為順序讀表次數(shù)，Nsrep為第M次讀表時對應(yīng)的讀表步長，其意義是當(dāng)前讀表指針應(yīng)跨過的正弦表點數(shù)。N=fr / fsM=1，2，3N式中：Sp為正弦表總點數(shù)；fr為讀表頻率，是由軟件設(shè)定的固定值；fs為輸入電壓兩倍頻率（輸入電壓采樣為整流后的全波電壓波形），可通過采樣結(jié)果進(jìn)行周期判斷得到。 同時通過硬件捕獲輸入電壓過零點，在捕獲中斷中將正弦給定讀表指針歸零，實現(xiàn)輸入電壓與DSP內(nèi)部正弦給定的同步。在數(shù)字控制系統(tǒng)中，電壓環(huán)和電流環(huán)的調(diào)節(jié)器均采用數(shù)字PI調(diào)節(jié)器。PI調(diào)節(jié)器通過控制偏差進(jìn)行控制，控制偏差為給定值r(t)與實際輸出值c(t)的差制值：e(t)=r(t)-c(t)將偏差的

14、比例(P)和積分(I)通過組合構(gòu)成控制量，對被控對象進(jìn)行控制：式中：u(t)為PI調(diào)節(jié)器輸出；e(t)為PI調(diào)節(jié)器輸入；KP為比例系數(shù)；TI為積分時間常數(shù)。由于DSP的控制是一種離散的數(shù)字控制，它只能根據(jù)采樣時刻的偏差值計算控制量，因此，必須對上式進(jìn)行離散化處理，用一系列采樣時刻點k代表連續(xù)的時間t，離散的PI控制算法表達(dá)式為： 式中：k=0，1，2表示序列；u(k)為第k次采樣時刻PI調(diào)節(jié)器的輸出值；e(k)為第k次采樣時刻輸出的偏差值；Ts為采樣周期；Ti為積分時間常數(shù)；Ki為積分系數(shù)。在上式中由于在積分環(huán)節(jié)中每次要e(k)對進(jìn)行累加，易出現(xiàn)積分飽和的情況。為解決該問題，對算法進(jìn)行修改，采

15、用抑制積分飽和的PI算法4，如下式所示：式中：US為抑制積分飽和的PI算法的輸出；U(n)為本次PI調(diào)節(jié)器的計算結(jié)果；Ksat為抗飽和系數(shù)；In(n)為本次積分累加和；Umax和Umin為PI調(diào)節(jié)器輸出的最大值和最小值。當(dāng)控制對象為PWM占空比時，Umax和Umin的值可分別設(shè)置為1和0。使用這種PI算法，可將調(diào)節(jié)器的輸出限制在需要的范圍內(nèi)，保證當(dāng)計算出現(xiàn)錯誤時也不會使控制量出現(xiàn)不允許的數(shù)值，PI調(diào)節(jié)器的輸出具有抗飽和特性。5 系統(tǒng)實驗考慮到額定輸出電流為10A的開關(guān)電源模塊在電力直流操作電源中應(yīng)用最為普及，作為DC/DC前的功率因數(shù)校正部分，樣機(jī)技術(shù)要求如下：輸入電壓：220VAC輸出電壓：

16、380VDC輸出額定功率：2.2kW開關(guān)頻率：100kHz功率因數(shù)：99%圖4 輸入電壓和輸入電流波形圖4中的實驗波形表明輸入電流在相位上跟蹤輸入電壓波形，且保持了優(yōu)秀的正弦特性。為驗證數(shù)字控制APFC的效果，與傳統(tǒng)的采用UC3854為控制芯片的模擬APFC電路相比較，數(shù)據(jù)對比如表1所示。表1 模擬電路和數(shù)字電路實驗數(shù)據(jù)對比輸入電壓(V)輸入電流(A)輸出電壓(V)輸入電流ATHD(%)輸入功率因數(shù)模擬電路數(shù)字電路模擬電路數(shù)字電路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實驗數(shù)據(jù)說明，由于數(shù)字控制的正弦給定為DSP內(nèi)部軟件形成的純凈正弦，輸入電流的正弦化程度得到改善，功率因數(shù)得到進(jìn)一步提高。圖5為功率管采用硬開關(guān)和軟開關(guān)時功率管兩端電壓VDS波形。由波形可知，采用軟開關(guān)技術(shù)后，降低了功率管電壓應(yīng)力。(a) 硬開關(guān)VDS波形 (b) 軟開關(guān)VDS波形圖5 功率管端電壓波形6 結(jié)語數(shù)字控制已成為實現(xiàn)電源模塊化、集成化、綠色化的有效手段