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功率因数校正(PFC)的数字控制方法

时间:2007-1-20栏目:电子通信论文

摘要:控制技术的数字化是开关电源的发展趋势。相对于传统的模拟控制技术,采用数字控制技术的功率因数校正(PFC)具有显著的优点。详细讨论了采用数字信号处理器(DSP)作为控制核心时的设计事项和方法,最后提出了数字控制技术有待解决的问题。
  关键词:数字控制;数字信号处理器;功率因数校正;开关电源
  
  引言
  
  电力电子产品的广泛使用,对电网造成了严重的谐波污染。这使得功率因数校正(PFC)技术成为电力电子研究的一个热点。功率因数校正的目的,就是采用一定的控制方法,使电源的输入电流跟踪输入电压,功率因数接近为1。传统上,模拟控制在开关电源应用中占据了主导地位[1]。随着高速度,廉价的数字信号处理器(DSP)的出现,在开关电源中使用数字控制已成为发展的趋势[2][3][4][5][6]。
  
  本文对实现PFC的模拟控制方法和数字控制方法进行了比较,介绍了采用数字控制的独特优点。详细讨论了采用数字信号处理器作为控制核心时的设计事项和方法。
  
  1PFC模拟控制和数字控制的比较
  
  功率因数校正的模拟控制方法已经使用了多年,也有现成的商业化集成电路芯片(比如TI/Unitrode的UC3854,Fairchild的ML4812,STmicroelectronics的L6561等)。图1(a)是基于UC3854的模拟控制电路结构方框图。电路采用平均电流控制方式,通过调节电流信号的平均幅度来控制输出电压。整流线电压和电压误差放大器的输出相乘,建立了电流参考信号,这样,这个电流参考信号就具有输入电压的波形,同时,也具有输出电压的平均幅值。PFC的模拟控制方法简单直接。但是,控制电路的元器件比较多,电路适应性差,容易受到噪声的干扰,而且调试麻烦。因此,模拟控制有被数字控制取代的趋势。
  
  图1(b)是PFC的数字控制原理框图。类似于模拟方法,使用了两个控制环路:电压环和电流环。电压环通过调节平均输入电流来控制直流总线电压,电流环控制交流输入电流使之跟踪输入电压。控制过程由DSP完成,通过DSP的软件来实现电流和电压的调节。
  
  数字控制方法具有以下几个优点:
  
  1)通过软件调整控制参数,比如,增益和带宽,从而使系统调试很方便;
  
  2)大量控制设计通过DSP来实现,而用模拟控制器是难以实现的;
  
  3)在实际电路中,使用数字控制可以减少元器件的数量,从而减少材料和装配的成本;
  
  4)DSP内部的数字处理不会受到电路噪声的影响,避免了模拟信号传递过程中的畸变、失真,从而控制可靠;
  
  5)如果将网络通信和电源软件调试技术相结合,可实现遥感、遥测、遥调。
  
  现在,数字控制PFC方法已经在深入研究。文献[7]提出了一个基于模拟仪器公司ADMC401的数字控制PFC方案,如图2所示。为了实现数字控制,模拟控制变量〔包括输入电流iL(t),输入电压vin(t)和输出电压vo(t)〕必须转换成数字量。将模拟控制变量除以他们相应的参考值(,和),得到相对值,再由ADC变换器将获得的相对值转换成数字量。其中iL,n,vin,n,vo,n分别表示相应的第n个采样值。
  
  数字控制器包括一个电流环和一个电压环。对于电流环,将指令输入电流减去输入电流iL,n所得的电流误差ie,n输入到电流环数字PI控制器。最后,将控制器输出的占空比Dn输入到PWM产生单元,控制开关S的通断。对于电压环,PFC变换器的输入电导期待值ge,n与输入电压vin,n相乘,得到指令输入电流iL,n*。
  
  2数字控制的实现
  
  在实现一个电力电子系统的实际数字控制器时,需要考虑大量的因素,比如,控制处理器的选择,采样算法和采样频率的确定,PWM信号的产生,控制器和功率电路之间的连接,硬件设计和控制算法的软件实现等。这些因素都会对系统的性能产生很大影响,需要细心设计和实际实验。
  
  
  
  
  
  2.1微处理器的选择
  
  在设计控制系统时,微处理器的选择需要考虑很多的因素,诸如功能,价格,硬件设计的简单性和软件支持等。现在,已经有多种内嵌有PWM单元和A/D转换等控制外设的DSP芯片可供选择(比如TI的TMS320C2XX系列,AD的ADMCXXX系列,Motoro

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