基于电压电流双环控制的数字PFC电路设计研究

杨运峰 高文根 何睿

摘要：设计了一种基于TMS320F28335型DSP处理器的电压电流双环控制的数字PFC电路，重点研究了电压电流双闭环数字控制回路的设计，给出了具体PI参数计算例程，最后在Matlab/Simulink中建立了该双闭环控制系统的仿真模型，并对其结果进行了研究分析.

关键词：数字PFC;双环控制;PI参数

中图分类号：TM13;TM461  文献标识码：A  文章编号：1673-260X（2019）04-0024-04

引言

传统的功率因数校正技术（PFC）主要通过模拟控制实现，该方法虽然成熟可靠但随着开关电源逐步朝着高頻化小型化发展，模拟控制方式带来的器件多，控制复杂等缺点逐渐显现[1-2].如今随着数字控制的不断发展，越来越多的电力电子装置开始使用数字处理器（DSP）控制方式，它具有体积小、控制外围电路简单、控制方式灵活等优点.

TMS320F28335具有150MHz的高速处理能力，具备32位浮点处理单元，用户可快速编写控制算法而无需在处理小数操作上耗费过多的时间和精力，与前代DSP相比，平均性能提高50%[3].文章阐述了基于DSP的功率因数校正电路的原理，以Boost-PFC电路拓扑结构为例实现数字控制PFC电路的参数计算，元器件的选型，和作为数字实现功率因素最重要的环节即电压电流双环控制的PI参数整定，最后通过仿真验证了系统设计的准确性.

1 数字PFC电路结构与工作原理

该PFC电路的主要组成部分由以下几个部分组成，分别是单相桥式不控整流电路，单相Boost升压电路，DSP处理器构成的控制电路，以及信号调理与检测电路.PFC电路想要实现高功率因数它的基本思想是当交流电经过单相不控整流电路后得到的整流电压电流作为整个PFC系统电路的输入电流电压，这个得到的电压电流经过后续的 Boost型DC/DC变换电路之后，通过在DSP中使用相应的控制方法使得该电路输入的电流信号能够自动的跟随输入电压信号，即实现了电压电流的相位同步，达到提高功率因数的目的，如果要使得输出直流电压很稳定则必须对的电路进行闭环控制.

2 单相PFC的控制策略

本次设计PFC电路采用电压电流双环控制模式，其具体工作过程如下：输出的参考电压信号Ud*和经过PFC电路之后的输出电压Ud信号两者送到一个电压PI控制器，经过PI比较处理环节得到的信号我们把它作为是电感电流的大小参考信号Vg，这个电流参考信号Vg与整流后的输入电压信号Vs经过一个乘法器，通过乘法器能够使电流获得与输入电压相同的相位，其中电压环PI控制器由于含有积分器有助于消除稳态误差，整流之后的输入电压信号主要能够为电流参考信号提供相位支持，使得电感电流能够得到与电压信号两者具有相同的相位（相位相同，幅值虽然不同可以通过后续的控制算法来调整）[4].而这个信号即作为为电流环的电流大小参考命令IL*，同时将采样后的真实的电感电流信号IL与电流参考信号IL*经过一个电流PI控制器环节后得到的比较信号与DSP控制器的PWM比较单元产生一定的频率相同但是占空比大小不同的PWM脉冲序列信号从而控制电路的开关管开通与关断，以此来不断地调整开关通断时间使得实现电流跟踪电压相位达到功率因数为1的目标.

3 主电路参数设计计算

由于在开关电源电路中电感占据最重要的地位，电感的设计也最为复杂，我们可以通过以下几个步骤来设计.

3.1 确定电感的大小

（1）首先确定输入电流峰值的最大值：当输入电压最小时，输入电流的峰值能达到最大值，同时考虑到电源效率为92%（PFC变换器及DC/DC变换器的效率分别为96%）.

（2）电感中纹波电流峰峰值.电感电流的峰峰值选取一般工程设计上取经验值，PFC电路的升压电感最大峰峰值可取PFC电路输入电流大小的20%.

（3）计算占空比当输入的电流峰值最大时的占空比为：

（4）计算电感量：

根据以上公式可以并确定电感量为1.2mH.

3.2 输出电容的选择

PFC Boost电路的整流输出电压为2倍工频纹波，其纹波大小由输出电流和输出电容Co决定，一般来说根据3W选取的原则即PFC输出功率的3倍值来选取输出电容的大小，通过计算可以取输出电容Co=1000μF.

3.3 功率开关管的选择

由于在本电路设计中PFC变换器的开关管开关频率设定为80KHz，所以功率开关管类型选择MOSFET.且此开关管的耐压值要大于PFC电路的输出电压，至少留有1.5倍电压裕量，开关管的额定电流大于PFC电感电流并且留有1.5倍的安全裕量.

3.4 快恢复二极管的选择

开关管关断时会使得二极管承受极高的反向电压，为了防止二极管被这个反向电压击穿所以在选择二极管时要考虑到快恢复特性，防止大的灌电流对开关管造成损坏二极管要承受反向输出电压故其额定电压要大于电路的输出电压，输出电流为1.5的电感电流IL裕量左右.

4 控制回路设计

在PFC数字控制回路中包含了两个环路;其中内环构成了电流环，PFC的电流内环的两个输入是经过电压外环之后的参考电流信号IACref和实际检测到的电感电流的信号IAC.其中电流环通过电流PI控制器的作用产生控制输出信号与DSP内部比较单元发生比较后得到控制开关管开通与关断的频率相同占空比不同的PWM脉冲信号，通过电流环的调节作用这样使得实际的电感电流IAC能够跟随参考电流IACref[5].与电压环相比，由于作为PFC电流内环，故其电流环应具有较快的响应速度，使之能够快速的让输入电流信号跟踪输入电压信号的相位，所以PFC电流内环的带宽应更高，这样才能准确无误的跟踪两倍于输入电网电压频率的半正弦波形.上图中外环构成PFC电路的电压环，其中电压外环的两个输入信号分别是用户输入参考电压信号VDCref和检测到的PFC输出直流电压信号VDC.电压PI控制器用于通过比较计算后产生控制输出误差信号，这样无论PFC输出端的负载电流IO和输入端电网的供电电压VAC发生怎样的变化，其输出端直流母线电压VDC都将通过电压环的反馈调节从而保持稳定.由电压PI控制器产生电压误差控制信号作为电流内环的参考信号IACref.

4.1 电流环PI控制器设计

在本次PFC功率因数校正电路设计中设计电流环控制器时其电流环带宽选择8K，这样电流能够较好的跟踪经过整流电路之后的频率为100Hz或者120Hz的半波正弦输入电压，根据到单片机在进行数字采样计算时会有延时误差等数字延时的考虑，故在这里对PFC电流PI控制器的“零点”进行配置，因此对于相位交点频率为8kHz情况，电流环“零点”配置在远小于该频率处以避免数字延时，故本文中电流PI控制器的零点选择800Hz.在设计电压电流环路时需要确定框图中K1K2K3的系数，计算公式给出如下：

4.2 电压环PI控制器设计

在开关电源等电路设计时，我们在设计电压环控制器时电压环带宽一般选择为电网电压频率的1/10，在本设计中由于整流之后電网电压频率为100Hz，所以在这里我们选择电压环的带宽为10Hz，在该处此时电压环的带宽远小于100Hz或120Hz的电网电压输入频率，这样做的好处是能够明显的消除直流母线电压中的谐波干扰，对于提高系统稳定性有极大的帮助.在设计电压PI控制器的零点时选择其与电压环的带宽相同，考虑到单片机在采样时会有延时，所以在电压环带宽为10Hz时数字延时不是那么明显.有利于保证采样的准确性.

其中Zfcv为负载的输出等效阻抗，该负载输出阻抗等效了PFC电路输出滤波电容，PFC输出负载阻抗的两者并联组合，通过等效负载输出阻抗参数来反应电压环的精确性.

5 系统仿真

本文通过在MATLAB仿真软件上针对以上算法进行了仿真，PFC电路交流输入为220V，峰值输入电压为90V-265V，电压频率为工频50Hz，开关管的开关频率为80kHz，实验仿真如以下图，图5显示的是电路经过PFC后可以看出电流能够跟踪电压相位，使得功率因数接近于1达到了设计的目的.图6显示的是输出电压波形，其值大小稳定在410V，符合设计要求.

6 结论

本设计针对目前模拟控制方式PFC电路的各种缺点，提出了一种基于DSP数字控制方式的PFC电路的主电路参数设计以及控制回路的PI参数设计，最后通过仿真验证了设计的可行性.

参考文献：

〔1〕王跃林，申群太.基于DSP数字控制的Boost-PFC系统的设计[J].通信电源技术，2007，24（6）：73-75.

〔2〕文雪峰，佃松宜，邓翔.基于数字双环控制的功率因数校正控制算法[J].电力系统自动化，2014，38（3）：36-40.

〔3〕丁凯.基于DSP的三电平PWM整流器的控制策略研究[D].东南大学，2015.

〔4〕陈倩玉.ZVS半桥三电平充电机控制策略研究和实现[D].电子科技大学，2016.

〔5〕张亚州.浅谈有源功率因数的校正及有源滤波技术的研究[J].建筑工程技术与设计，2017（20）.