Boost型功率因数校正变换器的数字控制探究

杨凤焓

（重庆金美通信有限责任公司，重庆 400030）

0 引 言

如今的社会不管在经济还是物质建设上都是非常快速的，这种速度也带动着电源领域的发展。在Boots型功率因数校正变换器的数字控制方面，如果一味地使用传统模拟控制技术，必然影响变换器的使用性能。传统控制技术除元器件多、体型大及结构复杂外，运行时可能会产生元件漂移、系统参数漂移等现象，给Boots型功率因数校正变换器的调试工作带来不便。电路集成技术在新形势下被不断研发和提升，数字信号处理器不断发展，促使其性能逐渐满足了Boots型功率因数校正变换器的数字控制要求[1]。这种新型控制电路的性价比较传统控制技术要高，且具有较高的兼容性和环保性，在满足变换器数字控制的同时，满足了可持续发展的战略要求。

1 Boots型功率因数校正变换器

Boots型功率因数校正变换器是目前使用广泛的校正电路。它的主电路由开关管、电感和电容等组成，还包括一个储能电感，目的是减少电流纹波对变换器的损害，同时为主电路减小部分冲击。高频冲击会直接伤害主电路，最终造成主电路短路等现象。一旦主电路损害，就会间接对整个整流器造成电流源负载，从而影响整个Boots型功率因数校正变换器的性能。PFC电路的完成任务有两个。一是控制电感和电流，使电流输入时保持正弦化。由于正弦化，Boots型功率因数校正变换器的失真因素会接近数字1，且电流的基波在输入时会和输入的电压产生相位现象。二是控制电压，保持一段时间内电压的稳定性。持续模式下，使用电压环和电流环两个控制环[2]。外环使用电压环，主要负责输出电压，保证电压的稳定性；电流环作为内环装置，主要控制电感和电流的运行状态，以促进电感和电流的跟踪及给定，有效减小电流输入时产生的谐波。假设把一个开关周期内输入的电压完全忽略，给定输入的跟踪电流，和输入的额电压形成比例[3]。如果将其电压完全忽略，电路中将不存在损耗，效益仍保持原有的1，输出功率将不会发生变化。

2 DSP下的Boots型功率因数校正变换器数字控制方案

2.1 DSP56F8323资源

DSP56F8323具有强大的功能，拥有足够大的内核和丰富的外设资源，且具有较高的利用性。通常，大部分数字控制系统中的硬件资源都集中到DSP控制系统的硬件设计中，很大程度上缩小了控制板。此阶段，将一些外围电路引入到资源库中，完成了全部DSP的硬件系统设计。在DSP56F8323，外设的资源有很广泛的设计模板，如脉宽调制模块、宽调制模块的输出口、模数转换模块和其输入口[4]。其中，脉宽调制模块只有1个，输出口6个；模数转换模块虽然只有4个，但输入口有8个。此外，整个系统中还包括2个定时器单元，但总共有8个定时器，分布在定时器单元的周边。DSP56F8323的结构部件较多，这些模块能够将DSP和DSP、DSP和外设及DSP和PC紧密连接，有助于系统控制和显示状态。

2.2 Boots型功率因数校正变换器的数字控制方案

数字PFC使用两个控制环，采样母线电压后，对比其和输出的电压给定值。母线电压和电压给定值之间的差别经过电压环和调节器，最终的输出表示是a，如图1所示，将a和b、c相乘，可以得出内环电流的给定是Iref，就相当于Iref=abc。如果b为1U2ff，说明全波整流的电压是平均数的倒数，这样b是1U2ff，c是电压[5]。假如P1调节器输出了a，说明它决定电流环的给定值是多少，而c为采样值，决定采样值的多少，还决定形状。由于前馈电压的控制，所以引入了b。在b完成任务后，输入功率的稳定性对于整个DSP56F8323具有良好的促进作用，能够使其不受电网产生电压的影响。内环本身就是电流，所以它的速度相对更快。比较它的电流采样值和电流环的给定值，经过电流环中的P1电压环和G2调节器时，控制开关管的占空比。DSP的芯片主频是60 MHz，单指令周期一般为16.6 ns，开关频率100 MHz，重载频率始终保持50 kHz。在电流环的采样频率同样为50 kHz的基础上，电压环采样的频率为25 kHz，AD转变需要的时间是1.7 μs[6]。通常情况下，采样通道数是3。数字控制程序有两个比较关键的组合，分别是数字控制程序和中断服务子程序。中断子程序中的功能包含了很多，其中最突出的是电压计算模板、电流计算以及PWM的输出，如表1所示。

图1 数字PFC的整体控制框架图

表1 中断子程序介绍

3 系统仿真的实验

以DSP56F8323进行数字控制实验的验证，具体实验数据如表2所示。

4 结 论

系统仿真实验的数据证明，Boots型功率因数校正变换器的数字控制可以使用理论和建模两种方法。但是，按照理论测试出来的电压环参数没有任何差别，而这种方法也刚好适用于变换器[7]。假如在一个比较宽阔的电压范围内，因数将可能达到0.99或0.99以上，或是在较大的负载变化范围中达到0.99以上。这和传统的模拟控制技术的控制效果成正比，体现出Boots型功率因数校正变换器的数字控制系统的性能[8]。当前，人类社会已经步入大数据时代，所以Boots型功率因数校正变换器的数字控制有着较好的发展前景，并在电源领域取到了较好的应用。

表2 负荷效应实验数据（Uinrms=220 V）