許 敏，張有林，郭清風(fēng)，米雪濤

（珠海格力電器股份有限公司制冷技術(shù)研究院，廣東珠海519070）

1 引言

傳統(tǒng)的BOOST型PFC控制電路，如圖1所示，一般采用乘法器原理。輸入信號(hào)包括前饋輸入電壓檢測(cè)、電流檢測(cè)及反饋輸出電壓檢測(cè)。此種PFC控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜。在主電路上增加各信號(hào)檢測(cè)電路，增加了成本及電路面積。本文針對(duì)此問(wèn)題分析并提出了無(wú)需輸入電壓檢測(cè)電路及輸出反饋電壓檢測(cè)電路，只檢測(cè)輸入電流的情況下，在BOOST型連續(xù)電流模式（CCM）功率因數(shù)校正（PFC）中實(shí)現(xiàn)電壓環(huán)與電流環(huán)的雙環(huán)控制策略及其數(shù)字化，并在DSP平臺(tái)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

無(wú)需輸入電壓檢測(cè)的PFC技術(shù)在三相PFC系統(tǒng)的研究［1－2]，一般是通過(guò)電流估算出輸入電壓。在單相PFC上主要有非線性載波控制技術(shù)［3],單周期控制技術(shù)作為一種大信號(hào)、非線性PWM控制技術(shù)［4－6]，具有較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度和輸入擾動(dòng)抑制特性，其基本控制思想是通過(guò)控制開(kāi)關(guān)器件的占空比，使每個(gè)開(kāi)關(guān)周期中開(kāi)關(guān)變量的平均值嚴(yán)格等于或正比于控制參考量。單周期PFC電路無(wú)需傳統(tǒng)PFC電路中的乘法器和輸入電壓采樣，大大簡(jiǎn)化了PFC電路的設(shè)計(jì)。因此本方案在無(wú)輸入電壓檢測(cè)的電流環(huán)設(shè)計(jì)上采用數(shù)字實(shí)現(xiàn)的單周期功率因數(shù)校正技術(shù)。圖1所示為普通乘法器原理PFC。

圖1 普通乘法器原理PFC

在電壓環(huán)的控制上采用無(wú)需反饋輸出電壓檢測(cè)的數(shù)字控制技術(shù)。此技術(shù)從檢測(cè)的輸出電流中提取估算出輸出直流電壓信號(hào)。在數(shù)字化實(shí)現(xiàn)中，控制簡(jiǎn)單，輸出電壓的估算精度由電流的檢測(cè)精度確定，可以很好地滿足大部分的應(yīng)用場(chǎng)合。

2 無(wú)輸入電壓檢測(cè)電路的電流環(huán)

2.1 單周期PFC技術(shù)原理

如圖2所示為單周期實(shí)現(xiàn)的PFC變換器控制原理框圖。圖2中，輸出電壓反饋還是采用電阻分壓的采用電路。

圖2 無(wú)輸入電壓檢測(cè)的單周期PFC控制

單周期PFC變換器的控制目標(biāo)就是使圖2中的變換器輸入電流跟隨整流后變換器的輸入電壓波形，同時(shí)又要保持輸出電壓穩(wěn)定到給定值。

假定控制系統(tǒng)已經(jīng)滿足PFC變換器輸入電流與輸入電壓成比例且相位一致，整個(gè)變換器可以等效為一個(gè)電阻Re，于是可以得到：

式中：Re為PFC變換器的等效電阻，ig為電感電流瞬時(shí)值，ug為整流器輸出直流電壓瞬時(shí)值。

對(duì)于BOOST型PFC變換器來(lái)說(shuō)，在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，其輸入電壓ug、輸出電壓Uo和開(kāi)關(guān)管占空比D的關(guān)系為：

所以可以得到：

定義Rs為PFC變換器中等效電流檢測(cè)電阻，則有：

式中：T為開(kāi)關(guān)周期。

可以構(gòu)造以下控制方程組：

公式（6）即為單周期PFC的控制方程組，通過(guò)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)u1（t）和u2（t），并對(duì)u1（t）和u2（t）進(jìn)行比較可以獲得開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)占空比，從而可以實(shí)現(xiàn)單周期功率因數(shù)校正。

2.2 單周期PFC數(shù)字實(shí)現(xiàn)

單周期功率因數(shù)校正方案的核心是具有復(fù)位功能的高速積分器，利用硬件電路比較容易實(shí)現(xiàn)，而高速積分復(fù)位器利用數(shù)字算法實(shí)現(xiàn)起來(lái)相對(duì)較復(fù)雜。

由于數(shù)字控制系統(tǒng)中系統(tǒng)采樣頻率遠(yuǎn)高于輸入電流的頻率，在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期中可以采樣多次。此單周期PFC的數(shù)字化中采用單周期單采樣（SSOP）的信號(hào)采樣方式。即在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)只進(jìn)行一次信號(hào)采樣。一般情況下系統(tǒng)的采樣頻率與開(kāi)關(guān)頻率一致，因此可認(rèn)為在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，數(shù)字控制系統(tǒng)得到的電感電流ig以及調(diào)節(jié)電壓um為恒定值，從而公式（6）可進(jìn)行如下離散化處理：

由于公式（7）中的um（nT）在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)的值是不同的，用數(shù)字方法計(jì)算公式（7）需要占用一定的DSP資源。

采樣信號(hào)由于受開(kāi)關(guān)噪聲的影響在開(kāi)關(guān)點(diǎn)上經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)高頻振蕩，因此需要采取合適的采樣控制算法來(lái)避開(kāi)在開(kāi)關(guān)點(diǎn)附近進(jìn)行信號(hào)采樣。通過(guò)軟件計(jì)算出的開(kāi)關(guān)信號(hào)占空比來(lái)確定開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間，然后根據(jù)開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間計(jì)算出一個(gè)最佳的信號(hào)采樣點(diǎn)以進(jìn)行信號(hào)采樣。通過(guò)采取這樣的采樣控制算法，可以得到一個(gè)較好的采樣信號(hào)，進(jìn)而保證了功率因數(shù)校正效果。

3 無(wú)輸出電壓檢測(cè)電路的電壓環(huán)

3.1 母線電壓反饋信號(hào)估算原理

在BOOST型PFC中，主電路工作于兩種工作模式。Ⅰ：IGBT導(dǎo)通電感儲(chǔ)能，二級(jí)管關(guān)斷模式；Ⅱ：IGBT關(guān)斷，二極管導(dǎo)通，電感放能模式。在模式Ⅰ中IGBT導(dǎo)通，電感兩端直接和輸入電壓相連。此時(shí)：

式中：uL1為模式Ⅰ中電感上的電壓，ug為整流器輸出直流電壓瞬時(shí)值。

電感兩端電壓也可以通過(guò)電感上電流的變化率得到：

式中：iL1為模式Ⅰ中電感電流值。

在模式Ⅱ中IGBT關(guān)斷、二極管導(dǎo)通，電感通過(guò)二極管進(jìn)行續(xù)流。此時(shí)：

式中：uL2為電感在模式Ⅱ下的電壓，Uo為輸出電壓。

將公式（10）、（12）代入公式（11）得到：

從上式可以看出，輸出電壓可以通過(guò)計(jì)算電感L在兩種電路工作模式下的電壓變化率得到，如圖3所示。

圖3無(wú)輸入與輸出電壓檢測(cè)電路PFC控制

圖3為本方案完整的系統(tǒng)原理圖，包括了不需要輸入電壓檢測(cè)電路的單周期方式電流環(huán)，以及不需要輸出電壓檢測(cè)電路，采用輸出電壓估算的電壓環(huán)。

3.2 輸出電壓反饋信號(hào)估算的數(shù)字實(shí)現(xiàn)

與上述單周期PFC數(shù)字化所采用的單周期單采樣（SSOP）不同，在直流母線電壓的估算上，在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期需采樣3到4次。以采樣4次為例，式（13）可表示為：

式中：iL11、iL12分別表示在模式Ⅰ，電感電流增大期間第一次電流采樣值和第二次采樣值，iL21、iL22分別表示在模式Ⅱ，電感電流減小期間第一次電流采樣值和第二次采樣值。Δt1、Δt2分別表示模式Ⅰ期間兩次電流采樣的時(shí)間差，以及模式Ⅱ期間兩次電流采樣的時(shí)間差。

在具體數(shù)字實(shí)現(xiàn)上應(yīng)通過(guò)算法確定兩次采樣的時(shí)間差。應(yīng)重點(diǎn)考慮以下因素：①采樣點(diǎn)與功率器件開(kāi)關(guān)的時(shí)間點(diǎn)，采樣信號(hào)很容易受開(kāi)關(guān)信號(hào)的干擾，需要采用合適的算法；②IGBT的最大占空比與最小占空比；③IGBT驅(qū)動(dòng)電路以及電流采樣電路的延時(shí)。另外，上述為去掉輸入電壓采樣而采用的單周期PFC數(shù)字化方案中一周期需采樣輸入電流一次可通過(guò)此4次電流采樣并進(jìn)行平均而得，以提高精度。④也可通過(guò)3次采樣方式獲得相關(guān)信息。此時(shí)第二次采樣點(diǎn)應(yīng)在功率器件關(guān)斷前，電感電流的峰值處。此時(shí)應(yīng)特別注意時(shí)間延時(shí)問(wèn)題。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

采用DSP芯片TMS320F28069，設(shè)計(jì)了一套采用單周期的電流環(huán)，輸出電壓估算的電壓環(huán)數(shù)字控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)主要參數(shù)如下：交流輸入電壓90～260VAC，功率器件開(kāi)關(guān)頻率20kHz，輸出直流母線電壓控制為350VDC，變換器BOOST電感選取3mH，輸出濾波電容選取1360μF／450V。

此雙環(huán)PFC數(shù)字控制系統(tǒng)交流輸入電壓約為220VAC，輸出功率約為1500W，圖4所示為交流側(cè)輸入電壓和輸入電流的實(shí)驗(yàn)波形，圖5為輸出直流母線電壓和電感電流實(shí)驗(yàn)波形。

圖4 輸入電壓、電流實(shí)驗(yàn)波形

圖5 輸出電壓與電感電流實(shí)驗(yàn)波形

由上述實(shí)驗(yàn)波形可見(jiàn)，輸出直流母線電壓可以穩(wěn)定控制在350V左右，并且電壓紋波較??；輸入電流波形與輸入電壓波形相位一致。采用本文提出的無(wú)電壓檢測(cè)PFC數(shù)字控制方案取得了較好的功率因數(shù)控制效果。

5 結(jié)論

本文從節(jié)省成本角度提出了取消輸入電壓檢測(cè)電路及輸出電壓檢測(cè)電路且保持電流環(huán)電壓環(huán)，基本不降低性能的控制方案。此方案電流環(huán)采用單周期PFC控制的數(shù)字化方法，電壓環(huán)中通過(guò)電流信號(hào)估算出輸出電壓反饋。通過(guò)設(shè)計(jì)的基于TMS320F28069 DSP的數(shù)字控制系統(tǒng)對(duì)所提出數(shù)字控制方案進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了該數(shù)字控制方案的正確性及可行性。該方案對(duì)于成本敏感型的行業(yè)具有很好的應(yīng)用前景與實(shí)用價(jià)值。

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