DCM Boost PFC数字化的研究

叶开明，陈浩龙，蔡逢煌，王武

（福州大学电气工程与自动化学院，福建 福州 350108）

DCM Boost PFC数字化的研究

叶开明，陈浩龙，蔡逢煌，王武

（福州大学电气工程与自动化学院，福建 福州 350108）

传统断续导通模式的Boost PFC采用单电压环控制算法实现，但存在输入电流畸变大、功率因数不高的问题，从理论的角度深入分析了单电压环控制法不足的原因，根据Boost PFC电路在断续导通模式下的输入输出电压比，利用功率守恒原则，提出了适用于断续导通模式的DCM预测电流法，与单电压环控制法相比电流畸变、功率因数均得到改善。实验结果验证了理论分析的正确性。

功率因数校正；数字控制；DCM预测电流法；单电压环法；断续导通模式

0 引 言

有源功率因数校正（APFC）研究是当前电力电子的重要一环，Boost由于本身具有的优越性成为PFC中研究、应用最广泛的拓扑电路。不管采用模拟电路还是数字电路控制，算法的研究都是其中的热点，几乎所有的Boost PFC控制法基本上都涉及到双环控制：电压环、电流环。为了避免母线电压二次纹波引入电压控制环，使输入电流更好地跟踪输入电压，得到更小的THDi，一般使电压环的输出在半个工频周期内保持不变以保证电流的基准值在半个工频周期内的正弦度，因此电压慢环的频率一般为半个工频值。DSP数字化控制Boost PFC研究应用中最普遍的是预测电流控制技术［1－3］，其算法简单、实现容易、响应速度快。但传统预测电流法工作的前提是Boost工作于连续导通模式（CCM），而在断续导通模式（DCM）下会造成输入电流畸变、母线电压无法稳定问题。通常情况下采取直接撤销电流环，电压环的输出直接驱动Boost的开关管［4］，此算法也称单电压环控制法。输入市电电压经过整流器后的直流电压的频率为100 Hz，占空比的更新频率与整流后电压的频率保持一致，即在半个工频周期内开关管的占空比保持不变。输入电压为正弦，Boost拓扑具有自校正能力：在开关管开通期间电感电流的平均值为正弦。此控制算法缺点是动态反应速度慢，同时在DCM下，占空比相对比较小，一个开关周期中的关断时间占更大的比例，开关管的关断期间电流平均值非正弦，占空比越小，电流畸变得越厉害，PF值越低。

本文在工作于CCM中预测电流法控制原理的基础上，应用功率守恒原则，推导出适用于断续导通模式的DCM预测电流法［5－6］，该算法具有更高功率因数（PF），反应速度快，动态性能好等优点。最后，基于DSP28069数字控制平台，在6 kVA UPS样机的前级双Boost PFC拓扑上进行验证。

1 单电压环控制法原理分析

图1为单电压环控制Boost PFC框图。为分析方便，先做如下假设：

（1）所有器件均为理想元件；

（2）输出电压纹波与其直流量相比很小；

（3）开关频率远高于输入市电频率。

图1 单电压环控制法控制框图

图2给出了DCM下单电压环控制法中在一个开关周期中的电感电流波形。断续导通模式的Boost变换器有三种开关状态。

（1）0～DyTs期间：开关管T导通时，二极管D截止，升压电感L两端的电压为vg，其电流iL由零开始以vg／L的斜率线性上升。

（2）DyTs－（Dy＋DR）Ts期间：开关管T关断，二极管D导通，iL通过D续流，此时L两端的电压V0－vg，iL下降的斜率为V0－vg／iL，到Dy＋DR时刻电流下降到0。

（3）（Dy＋DR）Ts－（1－Dy＋DR）Ts期间：开关管T关断，二极管 D也截止，在此期间iL保持为0，负载由输出滤波电容C供电，直至下一周期开关管T开通后，重复（1）过程。

令输入交流电压的表达式为：

式中Vm－输入交流电压的幅值；ω－角频率。整流后电压vg为：

图2 单电压环控制DCM Boost电感电流波形

式中Dy－占空比；Ts－开关周期。

单电压环控制法中的占空比在半个工频周期内是保持不变的，由式（3）可知，电感电流峰值的包络线为正弦。

在每个开关周期内，电感L两端的伏秒面积平衡得：

式中V0－输出电压；DR－电感电流从峰值下降到零所对应占空比。

由式（4）推导得：

在一个开关周期内，电感电流峰值iL＿pk为：

根据式（3）和式（5），可以得到一个开关周期内电感电流的平均值iL＿av为：

输入电流iin＝iL＿av，由式（1）和式（6），求得输入功率为：

式中fs－开关频率。

根据式（7）和输入功率因数PF值的定义得：

单电压环控制中，功率100 W，升压电感600 uH，输出母线电压400 V，输 入电压分别为220 V、 240 V、260 V情况下，根据式（3）、（6）分别画出半个工频周期内电感电流的峰值如图（3）与相对应的平均值如图（4）。图（3）、（4）得，峰值包络线虽呈正弦，但其平均值已不再正弦，而是发生了畸变，由式（6）可知，当Vm／V0越大，电流畸变越厉害；由式（8）可知，当Vm／V0越大，PF值也越低，图（4）绘出了Vm的变化对电流畸变所造成的影响。

单电压环控制法主要应用在当Boost电路电感设计在连续导通模式而实际运行于大约5%满载下，此时为了稳定母线电压而对PF值要求不是很高的情况下，或者当开关管在关断区间输入电流为零的拓扑，比如说Buck-Boost电路。DCM预测电流法就是为了解决前一种情况下单电压环控制法中Dy在半个工频周期内不变而引起电感电流的畸变，有效提高输入端的PF值。

图3 单电压环控制法电感电流平均值

图4 单电压环控制法电感电流峰值

2 DCM预测电流法原理分析

预测电流法只适用于电感电流工作在连续导通模式，而对于断续导通模式下，由文献［6］中可得，输入与输出电压的关系有：

式中I0－母线电流有效值。

假设R为输出负载电阻，显然V0／I0＝R，根据式（8）可推出占空比值为：

输出功率为P0，那么，所以由式（10）可化为：

理想情况下，输入功率等于输出功率，所以P0＝VinIin。半个工频周期电感电流的瞬时值：

DCM预测电流法的占空比在半个工频周期内是可变的，其变化情况为：

DCM预测电流法与单电压环控制法相比多了一个电流控制环，其作用就是使电感电流在工频周期内的电流平均值的包络线为正弦，由式（13）实现。电压环的输出得到半个周期内电流基准的幅值Iin，式（12）中的sin（wt）为正弦表，采用市电可得。

3 DCM Boost PFC数字控制程序设计

采用TMS320LF28069浮点型DSP数字控制，CPU频率90 M。系统需采样市电输入电压、输出母线电压，软件设计的主要内容是定时器T1比较中断。图（5）给出了DCM预测电流法数字实现，定时器T1比较中断子程序流程图。

定时器T1比较中断子程序中主要完成系统电压电流采样、过流保护、过压保护、电压外环计算、电流内环计算及PWM驱动信号的生成。

图5 定时器中断子程序流程图

4 实验验证

在6 kVA双Boost PFC样机上对功率200W以下负载进行验证。输入电压为220 V／50 Hz，电感为600 uH，母线稳压电压设定在360 V，电容1 880 uF，开关频率20 k。图（6）、（7）分别为不同功率下两算法之间的波形比较，图（8）为PF值随输出功率的变化图。

图（6）、（7）可看出同功率下，DCM预测电流法更好地分配了在半个工频周期内电感电流的值，使其电流峰值更小、电流畸变率更低，由图（7）中电感电流在峰值附近的局部放大图相比较可知，单电压环法在输入电压峰值期附近更容易进入CCM。

图6 输出功率为137W两算法的波形

图7 输出功率为200W两算法的波形

图（8）得DCM预测电流法相比于单电压环法PF值得到有效提高，当达到一定功率时，由于单电压环法更容易进入连续导通模式，其PF值反而降低。

图8 两种算法的PF值比较

5 结束语

针对单电压环法在DCM Boost PFC控制中电流畸变大、功率因数不高的问题，提出了采用DCM预测电流法替代传统的单电压环控制法，理论分析了电流畸变和功率因数得到改善的原理，最后在6 kVA双Boost PFC上对200W以下负载进行验证，实验结果表明DCM预测电流法很好地弥补了单电压环法电流畸变大、功率因数不高的缺点。

［1］Wanfeng Zhang，Yanfei Lou，Bin Wu．A New Duty Cycle Control Strategy for Power Factor Correction and FPGA Implementation［J］．IEEE Trans．on Power Electronics，2006，21（6）：1745－1753．

［2］李宋，叶满园．预测平均电流控制PFC Boost变换电路的研究［J］．电力电子技术，2011，45（12）：120－122．

［3］王书强．基于DSP的数字控制单级桥式功率因数校正技术研究［D］．哈尔滨：哈尔滨工业大学，2011．

［4］杨靖，陈新．电感电流断续模式下的功率因数校正数字控制解决方案［J］．通讯电源技术，2007，24（1）：8－10．

［5］姚凯，阮新波，冒小晶，等．电流断续模式Boost功率因数校正变换器的变占空比控制［J］．电工技术学报，2011，26（11）：14－24．

［6］陈坚．电力电子学——电力电子变换和控制技术［M］．北京：高等教育出版社，2004：67－68．

Research on Digital Control Technology of DCM Boost PFC

YE Kai-ming，CHEN Hao-long，CAIFeng-huang，WANGWu
（College of Electrical Engineering＆Automation，Fuzhou University，Fuzhou Fujian 350108，China）

A single voltage loop is adopted when Boost PFC works in the traditional discontinuous conduction mode（DCM）．Its disadvantages are the high distortion and low power factor of the input current．In this paper，the disadvantages caused by the single voltage loop method are specifically analyzed，and the DCM current prediction method is presented through application of the power conservation principle on the basis of the input／output voltage ratio of the Boost PFC circuit in the DCM．Compared with the single voltage loop method，the current distortion and power factor are both improved．Experimental results verify the correctness of theoretical analysis．

power factor correction；digital control；DCM current predictionmethod；single voltage loopmethod；discontinuous conductionmode

10．3969／j·issn．1000－3886．2014．04．016

TM72

A

1000－3886（2014）04－0047－03

叶开明（1988－），男，福建泉州人，硕士研究生。研究方向为功率因数校正（PFC）控制算法的数字化研究。 陈浩龙（1988－），男，福建福州人，硕士研究生。研究方向为功率因数校正（PFC）控制算法的数字化研究。 蔡逢煌（1976－），男，福建莆田人，博士，副教授。研究方向为电力电子系统控制。 王武（1973－），男，福建莆田人，博士，教授。研究方向为电力电子系统控制。

定稿日期：2013－11－25