功率因数校正(PFC)的数字控制方法

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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  

 

0    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。

 

1    PFC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,ST microelectronics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。

 

(a)    模拟控制

(b)    数字控制

 

图1    PFC电路的原理框图

 

    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;