榮 軍，李一鳴，萬(wàn)軍華，張 敏，陳 曦

（1.湖南理工學(xué)院信息與通信工程學(xué)院，湖南岳陽(yáng)414006；2.湖南理工學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院，湖南岳陽(yáng)414006；3.工程車輛輕量化與可靠性技術(shù)湖南省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙410014）

全數(shù)字控制的單相功率因數(shù)校正電路設(shè)計(jì)*

榮 軍1，3*，李一鳴2，3，萬(wàn)軍華1，3，張 敏1，3，陳 曦1，3

（1.湖南理工學(xué)院信息與通信工程學(xué)院，湖南岳陽(yáng)414006；2.湖南理工學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院，湖南岳陽(yáng)414006；3.工程車輛輕量化與可靠性技術(shù)湖南省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙410014）

模擬控制的Boost-ZVT有源功率因數(shù)校正電路，其缺點(diǎn)是設(shè)計(jì)復(fù)雜，系統(tǒng)容易受元器件老化及受溫漂影響而引起誤差。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于DSP的全數(shù)字控制電路。首先介紹了Boost-ZVT電路的工作原理，對(duì)其主要元器件參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，然后詳細(xì)地闡述了基于TM320F2812的數(shù)字控制硬件電路設(shè)計(jì)。最后給出其實(shí)驗(yàn)結(jié)果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明采用全數(shù)字控制不但能實(shí)現(xiàn)模擬控制的所有功能，而且能夠顯著降低系統(tǒng)的體積和重量，而且便于系統(tǒng)調(diào)試和升級(jí)。

Boost-ZVT變換器；功率因數(shù)校正；數(shù)字控制；A/D采樣

在單相功率因數(shù)校正電路中一般都是采用Boost變換器，為了降低Boost變換器的開關(guān)管損耗，提升Boost變換器的效率，廣大科技工作者在這方面做了大量的工作。比如文獻(xiàn)［1］提出的一種新型的零電壓Boost變換器，主要利用能量反饋輔助電路實(shí)現(xiàn)了主開關(guān)的零電壓開通和升壓二極管的軟開關(guān)，其優(yōu)點(diǎn)是輔助開關(guān)管實(shí)現(xiàn)了零電流開通和近似零電壓關(guān)斷，變換器的效率較高，而且電磁干擾低。文獻(xiàn)［2-3］在無(wú)整流橋Boost電路中增加一個(gè)輔助ZVT網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)主開關(guān)的零電壓開通、近似零電壓關(guān)斷以及升壓二極管的零電壓開通、近似零電流關(guān)斷，極大地減小了開關(guān)損耗與開關(guān)噪聲。文獻(xiàn)［4］提出在Boost變換器中采用交錯(cuò)并聯(lián)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)或近似實(shí)現(xiàn)了主開關(guān)管零電壓或零電流開通和關(guān)斷，進(jìn)而可以增大其工作頻率，提高功率處理能力。文獻(xiàn)［1-4］提到的各種電路的共同目的就是盡可能地實(shí)現(xiàn)電路所有開關(guān)器件的軟開關(guān)，同時(shí)它們也有一個(gè)共同的特征，就是它們的控制電路設(shè)計(jì)都是采用UC3842和UC3855A等模擬控制芯片實(shí)現(xiàn)的，采用模擬芯片控制的缺點(diǎn)是電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，電路升級(jí)和維修困難，采用模擬控制會(huì)導(dǎo)致使用電子元器件非常多，會(huì)降低系統(tǒng)效率和可靠性。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了基于DSP全數(shù)字控制的Boost-ZVT單相功率因數(shù)校正電路，最后完成軟硬件設(shè)計(jì)，數(shù)字控制硬件電路主要包括DSP供電電路、A/D采樣電路以及過(guò)壓等電路，最后通過(guò)給出的實(shí)驗(yàn)波形證明全數(shù)字控制Boost-ZVT電路不但能實(shí)現(xiàn)跟模擬控制電路的完全一樣的功能，即達(dá)到功率因數(shù)校正的目的，而且比模擬控制的系統(tǒng)體積和重量更輕，系統(tǒng)可靠性更高。

1 Boost-ZVT變換器的工作原理

Boost-ZVT變換器的工作電路和工作波形如圖1（a）和圖1（b）所示，整個(gè)工作過(guò)程可分7個(gè)階段，每個(gè)工作階段的運(yùn)行模式等效電路如圖2所示［5-6］。

（1）工作模式1［T0～T1］

t=T0時(shí)，輔助開關(guān)Tr1開通，諧振電感電流iLr線形上升，等效電路圖如圖2（a）。

（2）工作模式2［T1～T2］

LrCr諧振，電流iLr諧振上升，而電壓Vds由Vo諧振下降。T=T2時(shí)，Vds=0，主開關(guān)管Tr體內(nèi)反并聯(lián)的二極管把Tr兩端的電壓箝位為0，為主開關(guān)管Tr零電壓開通創(chuàng)造條件，等效電路圖如圖2（b）。

（3）工作模式3［T2～T3］

由于Tr的反并聯(lián)二極管已導(dǎo)通，主開關(guān)Tr兩端電壓為零，此時(shí)主開關(guān)Tr可以實(shí)現(xiàn)零電壓開通，等效電路圖如圖2（c）。

（4）工作模式4［T3～T4］

t=T3，Tr1關(guān)斷，由于D1導(dǎo)通，Tr1的電壓被鉗在V0值，等效電路圖如圖2（d）。

（5）工作模式5［T4～T5］

T=T4，D1關(guān)斷，這時(shí)Boost-ZVT變換器跟普通Boost型變換器的工作情況一樣，等效電路圖如圖2（e）。

（6）工作模式6［T5～T6］

t=T5，Tr關(guān)斷，恒流源Is對(duì)Cr線形充電，等效電路圖如圖2（f）。

（7）工作模式7［T6～T7］

這個(gè)階段和普通Boost變換器開關(guān)管關(guān)斷的工作情況一樣，等效電路圖如圖2（g）。

圖1 Boost-ZVT變換器電路及工作波形圖

2 Boost-ZVT主電路元器件參數(shù)設(shè)計(jì)

把Boost-ZVT電路運(yùn)用于PFC，設(shè)計(jì)指標(biāo)：輸入電壓：?jiǎn)蜗嘟涣鳎?20±10%）V；輸入頻率：50 Hz/60 Hz；輸出電壓：直流400 V；最大輸出功率：1 000 W；功率因數(shù)：99%；開關(guān)頻率：f=100 kHz。

2.1 升壓電感L的計(jì)算

升壓電感L的選取應(yīng)滿足最大輸入電流紋波的要求，根據(jù)普通Boost電路的升壓電感計(jì)算公式可知［7］：

式中，Vin（pk）為輸入電壓的峰值；ΔIL為最大輸入電流紋波。

2.2 濾波電容C0的計(jì)算

輸出電容C0由兩個(gè)因數(shù)決定，即保持時(shí)間tH和輸出電壓紋波的大小。根據(jù)電容計(jì)算可得［8］：

諧振電感通過(guò)為升壓電感電流提供交替的電流通路，從而控制著二極管的di/dt。因此電感值可以由升壓二極管所需的關(guān)閉時(shí)間來(lái)確定，而二極管關(guān)閉時(shí)間由它的反向恢復(fù)時(shí)間決定。然而二極管的反向恢復(fù)時(shí)間是關(guān)閉時(shí)di/dt的局部函數(shù)，二極管的反向恢復(fù)時(shí)間一般為60 ns。如果電感限制上升時(shí)間到3trr為180 ns，電感量可按式（3）計(jì)算得到：

2.4 諧振電容Cr的計(jì)算

最小諧振電容要確保主開關(guān)的dv/dt，但是其有效諧振電容是功率開關(guān)器件MOSFET電容和外接電容總和。由于電容能夠限制功率開關(guān)器件關(guān)閉時(shí)間的dv/dt，因此能夠減少米勒效應(yīng)。該電容必須是優(yōu)質(zhì)高頻電容，它還必須能在關(guān)閉時(shí)承受較大的充電電流。因此諧振電容可根據(jù)式（4）計(jì)算：

所以可得Cr=958 pF。

3 基于DSP的數(shù)字控制電路硬件設(shè)計(jì)及軟件實(shí)現(xiàn)

基于TMS320F2812的DSP數(shù)字控制電路如圖3所示，圖3中的DSP數(shù)字控制系統(tǒng)主要包DSP及其外圍電路、供電電路、A/D采樣電路、驅(qū)動(dòng)電路和保護(hù)電路。其中，A/D采樣電路主要完成強(qiáng)弱電隔離、電平轉(zhuǎn)換、信號(hào)放大及濾波等功能，以滿足DSP控制系統(tǒng)對(duì)各路信號(hào)電平范圍和信號(hào)質(zhì)量的要求，由于篇幅的關(guān)系，本文只對(duì)DSP供電電路、A/D采用電路以及過(guò)壓過(guò)流電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖3 系統(tǒng)控制電路結(jié)構(gòu)框圖

圖4為Boost-ZVT變換器數(shù)字控制電路原理框圖。類似于模擬控制方法，數(shù)字控制方法采用雙閉環(huán)控制，其中內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，外環(huán)為電壓環(huán)，外環(huán)電壓環(huán)通過(guò)調(diào)節(jié)平均輸入電流來(lái)控制直線總線電壓，內(nèi)環(huán)電流環(huán)控制交流輸入電流使之跟蹤輸入電壓，整個(gè)控制過(guò)程由DSP來(lái)實(shí)現(xiàn)電流和電壓的調(diào)節(jié)［9］。

圖4 Boost-ZVT變換器數(shù)字控制電路原理框圖

3.1 DSP供電電路設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)供電電路由兩部分組成，一部分是由220 V輸入交流電壓經(jīng)變壓器整流濾波后變成9 V電壓供給MC7805，讓MC7805輸出TMS320F2812需要的+5 V電壓。另一部分是將輸出+5 V電壓通過(guò)電源芯片TPS767D318轉(zhuǎn)換成DSP所需要的+3.3 V和+1.8 V，其TPS767D318供電電路和TMS320F2812供電電路圖如圖5（a）和圖5（b）所示［10］。其中圖5（b）中的TPS767D318是類似的電壓調(diào)節(jié)器，可以由5 V的電壓產(chǎn)生固定的3.3 V和可變的另一路電壓輸出，可變的一路可設(shè)置成為1.8 V和2.5 V。另外3.3 V和1.8 V電壓分為模擬和數(shù)字，因此在模擬地和數(shù)字地之間需要用小電阻或者磁珠連接，防止電磁干擾。

便攜式胃腸起搏治療儀體積小，操作簡(jiǎn)單，攜帶及存儲(chǔ)方便，比較適合艦艇相對(duì)狹小的作業(yè)空間，另外該治療具備療效確切、無(wú)痛苦、無(wú)創(chuàng)傷、無(wú)不良反應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，為艦艇人員功能性便秘的非藥物治療拓寬了新的思路，其對(duì)其他胃腸功能性疾病的作用及遠(yuǎn)期療效等問(wèn)題值得進(jìn)一步研究。

圖5 DSP供電電路圖

3.2 A/D采樣電路設(shè)計(jì)

Boost-ZVT變換器的采樣信號(hào)有：輸入電壓和輸入電流、輸出電壓和輸出電流以及主開關(guān)管漏極電壓。每個(gè)A/D采樣電路包括傳感器、A/D調(diào)理電路和片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換器。電容上的電壓，電感上的電流經(jīng)過(guò)傳感器，轉(zhuǎn)換成可測(cè)量的電壓進(jìn)入信號(hào)調(diào)理電路，得到滿足片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換要求的被測(cè)信號(hào)，送入片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換器［11］。本文僅對(duì)輸入交流電壓采樣硬件電路設(shè)計(jì)做詳細(xì)講解，其他采樣電路設(shè)計(jì)思路類似。

輸入交流電壓采樣電路原理圖如圖6所示。Boost-ZVT變換器所接電網(wǎng)，輸入的電壓信號(hào)不是純正弦波，由此必須對(duì)其進(jìn)行濾波后才能準(zhǔn)確計(jì)算出輸入電壓的頻率和相位，因此需要設(shè)計(jì)濾波器，包括二階低通濾波器和二階高通濾波器，如圖6（a）所表示。二階低通濾波器由運(yùn)算放大器U13A及其外圍阻容網(wǎng)絡(luò)組成，它可以濾去電網(wǎng)輸入信號(hào)中的高次諧波，使波形得到改善，但是缺點(diǎn)就是使相位產(chǎn)生了滯后，需要引入二階高通濾波器進(jìn)行補(bǔ)償，其中二階高通濾波器由U13B及其外圍阻容網(wǎng)絡(luò)組成。經(jīng)過(guò)二階低通和高通濾波器后，不但濾除了諧波，使波形為正弦波，而且相位沒(méi)有變化。輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波以后，再經(jīng)過(guò)過(guò)零回差電路，得到與電網(wǎng)輸入信號(hào)完全同步的方波信號(hào)。利用DSP提供的捕捉單元來(lái)捕捉方波信號(hào)的跳變沿，從而得到交流輸入電壓的頻率和相位。最后通過(guò)軟件編程完成相位比較功能，再根據(jù)計(jì)算得到的相位差進(jìn)行PWM脈沖調(diào)整，開始相位跟蹤，由此實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正的目的。

此外，對(duì)輸入電壓檢測(cè)的不是電壓瞬時(shí)值而是有效值，因而采用了圖6（b）所示的精密整流電路，將濾波后的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的直流值。然后將其送到DSP的A/D轉(zhuǎn)換口。圖6（b）中的精密整流電路由精密半波整流和反相求和電路兩部分組成，R34取值等于2倍的R33，而且R33、R35、R36和R37的取值都相等，整個(gè)電路的輸出與輸入有Uo=|Ui|的關(guān)系，所以它有精密絕對(duì)值的運(yùn)算功能。

圖6 輸入交流電壓采樣電路

3.3 過(guò)壓電路設(shè)計(jì)

過(guò)壓保護(hù)電路如圖7所示，Boost-ZVT變換器的輸出電壓VOUT經(jīng)過(guò)R45、R46、R47和R48分壓以后加入到精密電壓基準(zhǔn)TL431的R端，U7的陰極接光電耦合器的3端，圖7中當(dāng)R端電壓到達(dá)2.5 V時(shí)，陰極電流IK突然增大，使得U8光電耦合器工作，UK6變?yōu)榈碗娖剑鳸K6連接到TMS320F2812的PDPINT端，這樣迫使系統(tǒng)重新啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)過(guò)壓保護(hù)的目的，以達(dá)到保護(hù)Boost-ZVT主電路的安全。

圖7 過(guò)壓保護(hù)電路

3.4 系統(tǒng)控制算法軟件實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的基本思想：由于DSP的事件管理器EVA有兩個(gè)通用定時(shí)器可以被編程，使之在其它通用定時(shí)器之后延時(shí)一段確定的時(shí)間才開始工作。利用這種思想由A/D輸入提供PI控制程序所需要的控制量，根據(jù)控制程序的運(yùn)算結(jié)果改變通用定時(shí)器3和通用定時(shí)器4的延時(shí)時(shí)間，進(jìn)而改變同時(shí)導(dǎo)通的兩個(gè)開關(guān)管的移相角，使輸出電壓滿足設(shè)計(jì)要求。設(shè)定通用定時(shí)器4使用自己的時(shí)鐘。利用捕獲單元捕獲下降沿，設(shè)置捕獲中斷。主程序流程圖如圖8所示［12］，主程序的作用是：初始化，其中包括給控制寄存器賦初值，這時(shí)系統(tǒng)工作時(shí)鐘開CAP1INT、CAP2INT中斷，在等待中斷的空閑時(shí)間內(nèi)采集輸出信號(hào)，設(shè)置ADC轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志位為1。為保證程序的正常運(yùn)行要禁止看門狗。CAP1INT中斷的作用為：判斷A/D轉(zhuǎn)換是否結(jié)束，轉(zhuǎn)換結(jié)束進(jìn)入PID控制程序，利用控制程序的運(yùn)算結(jié)果改變通用定時(shí)器3和通用定時(shí)器4的延時(shí)時(shí)間，給出Boost-ZVT變換器兩個(gè)開關(guān)管的導(dǎo)通信號(hào)。

圖8 系統(tǒng)主程序流程圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為了驗(yàn)證理論分析和參數(shù)設(shè)計(jì)的正確性在Pspice中建立其仿真模型，并給出了仿真結(jié)果如圖9所示。

圖9 Boost-ZVT功率因數(shù)校正電路的仿真波形

圖9（a）為主開關(guān)管Tr和輔助開關(guān)管Tr1的驅(qū)動(dòng)仿真波形，從圖9（a）可以看出主開關(guān)管Tr是在輔助開關(guān)管Tr1關(guān)斷后才開通的，而且輔助開關(guān)管Tr1導(dǎo)通時(shí)間非常短，因此可以顯著減少輔助開關(guān)管Tr1的開關(guān)損耗，從而提升整個(gè)系統(tǒng)的效率。圖9（b）從上至下分別為主開關(guān)管Tr漏源仿真電壓、Tr漏源仿真電流以及仿真Tr柵極驅(qū)動(dòng)仿真波形，從圖9（b）可以清晰看出Boost-ZVT變換器主開關(guān)管Tr的軟開關(guān)工作過(guò)程，主開關(guān)管Tr在開通前先有電流反向流過(guò)其體內(nèi)二極管，使漏極電壓箝位到零，再加驅(qū)動(dòng)脈沖從而實(shí)現(xiàn)主開關(guān)管Tr零電壓開通。當(dāng)主開關(guān)管Tr關(guān)斷時(shí)，由于其兩端并聯(lián)著諧振電容，使得其兩端的電壓緩慢上升，從而實(shí)現(xiàn)主開關(guān)管Tr零電壓關(guān)斷。即使開關(guān)管在高頻率工作狀態(tài)下?lián)p耗依然很小，故對(duì)開關(guān)頻率的限制減小，從而可提高開關(guān)頻。開關(guān)頻率得到極大的增大，從而進(jìn)一步減小系統(tǒng)的體積和重量，提高功率密度。圖9（c）為輸入交流電壓Ui和電流Ii仿真波形，從圖9（c）中可以清楚的看到輸入電流Ii很好跟隨交流輸入電壓Ui，完全實(shí)現(xiàn)了功率因數(shù)校正的目的。

最后為了驗(yàn)證基于DSP數(shù)字控制Boost-ZVT功率因數(shù)校正電路設(shè)計(jì)的可行性，完成整個(gè)硬件電路設(shè)計(jì)和軟件程序編寫，并給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。

圖10 數(shù)字控制功率因數(shù)校正電路的實(shí)驗(yàn)波形

圖10（a）為主開關(guān)管Tr和輔助開關(guān)管Tr1的驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)波形，圖10（b）為主開關(guān)管Tr電流和電壓波形，圖10（c）為輸入交流電壓Ui和電流Ii實(shí)驗(yàn)波形，從圖10（a）、圖10（b）和圖10（c）可以看到與理論分析以及仿真波形完全一致，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了基于DSP數(shù)字控制器的設(shè)計(jì)的正確性。

5 結(jié)論

設(shè)計(jì)了基于TMS320F2812數(shù)字控制的高功率因數(shù)校正電路，首先簡(jiǎn)單地介紹了Boost-ZVT變換器的工作原理，給出了其主要元器件參數(shù)的設(shè)計(jì)過(guò)程，然后詳細(xì)地介紹了其硬件電路的設(shè)計(jì)過(guò)程，并完成軟件程序的設(shè)計(jì)。最后通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)以及具體實(shí)物實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了DSP數(shù)字控制的Boost-ZVT功率因數(shù)校正電路的可行性。基于DSP的數(shù)字控制高功率因數(shù)校正電路，相對(duì)于模擬控制電路主要有以下優(yōu)點(diǎn)：第一：數(shù)字化處理和控制，可避免模擬信號(hào)傳遞的畸變和失真，減少干擾；第二：模擬硬件電路的功能由軟件形式的大量數(shù)值計(jì)算所取代，因此控制電路的硬件結(jié)構(gòu)可簡(jiǎn)化，系統(tǒng)所用元器件數(shù)量大大減少；第三：數(shù)字電源基本上不受元器件性能變化的影響，電路可靠性高。綜上所述，在功率因數(shù)校正電路中采用DSP等數(shù)字控制芯片，將是今后一個(gè)研究的熱點(diǎn)。

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榮 軍（1978-），男，漢族，湖南岳陽(yáng)人，碩士，湖南理工學(xué)院信息與通信工程學(xué)院講師，主要從事開關(guān)電源和電機(jī)控制技術(shù)研究，rj1219@163.com。

Design of Single-Phase Power Factor Correction Circuit for Full Digital Control*

RONG Jun1，3*，LI Yiming2，3，WAN Junhua1，3，ZHANG Min1，3，CHEN Xi1，3
（1.School of Information and Communication Engineering，Hunan Institute of Science and Technology，Yueyang Hu’nan 404006，China；2.School of Computer，Hunan Institute of Science and Technology，Yueyang Hu’nan 404006，China；3.Key Laboratory of Lightweight and Reliability Technology for Engineering Vehicle，College of Hunan Province，Changsha 410014，China）

For analog control Boost-ZVT active power factor correction circuit，its disadvantages are in the design complexity，and the system is easy to be affected by the components of the aging and temperature drift to cause error.A full digital control circuit based on DSP is designed to solve this problem.Firstly，the working principle of Boost-ZVT circuit is introduced，and the parameters of the main components are designed，and then the hardware circuit design of digital control based on TM320F2812 is described in detail.Finally，the experiment results are gave，and the experimental results show that the full digital control can not only realize the simulation control of all functions，but also can significantly reduce the volume and weight of the system，and is easy to debug and upgrade.

Boost-ZVT converter；PFC；digital control；A/D sampling

TP46

A

1005-9490（2016）06-1548-07

8360

10.3969/j.issn.1005-9490.2016.06.051

項(xiàng)目來(lái)源：工程車輛輕量化與可靠性技術(shù)湖南省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金項(xiàng)目（2014kfjj01）；湖南省教育廳一般項(xiàng)目（15C0620，15C0622）

2015-11-18 修改日期：2015-12-18