文獻標識碼： A
文章編號： 0258-7998(2014)11-0060-04
0 引言
由于電力電子產品的廣泛應用,產生了高次諧波和無功功率，嚴重影響電網和其他設備的正常工作，這就需要PFC技術的應用。在中大功率場合中，Boost PFC工作在電感/電流連續(CCM)時，電路輸入/輸出電流紋波小，流經開關管的電流有效值小，但在硬開關狀態下，開關損耗高，二極管也會產生很高的恢復損耗。Boost PFC工作在電感/電流斷續模式(DCM)時，二極管是零電流開通，減小了開關損耗，電感量小，但有較高的電感/電流峰值，在輸入較高電壓時，功率因數較低。Boost PFC工作在電感電流零界連續模式(CRM)時，具有零電流開關的特點，降低了電路損耗，且電感量比DCM小，但電路頻率不固定，在輸出負載較小時開關頻率變化范圍大，不利于EMI濾波器的設計，多應用于小功率的Boost PFC電路。
交錯并聯Boost PFC是指不少于一個變換器基本單元并聯組成的電路, PWM控制每個變換器的開關管交錯導通 ,電流呈現交錯狀態流過每個開關管。參考文獻[1-2]具體分析了耦合電感對交錯并聯Boost PFC電源輸入電流、輸出電流、電感電流的影響；參考文獻[3]給出了加入均流電感對兩路并聯電感實現均流的方案；參考文獻[4]對兩路交錯并聯DC/DC變換器實現軟開關的控制策略進行研究；參考文獻[5]提出了一種基于拓撲組合的高增益Boost 變換器；參考文獻[6]介紹了耦合電感的基本原理，分析了耦合電感對變換器開關頻率、輸入電流紋波的影響。本文提出了數字交錯并聯Boost PFC新型電源，對硬件和軟件給出了具體設計方法，并進行實驗驗證。
1 硬件電路的設計
1.1 交錯并聯Boost PFC硬件原理
圖1是新型電源系統框圖。新型電源主要包括主功率電路和DSP控制電路，可以看作是一個典型的自動控制系統。交流電輸入電路后，通過EMI濾波器抑制外來電磁干擾，經過整流電路輸入主功率電路。主功率電路是系統的控制對象，DSP控制電路是系統的主控制器。電壓檢測、電流檢測、電壓反饋是DSP控制電路的輸入，兩路脈沖寬度調制(PWM)是DSP輸出，相位相差180°，占空比小于0.5，通過驅動模塊控制開關管的導通和截止，使得兩相電感/電流相位交錯180°，電感/電流紋波相互疊加抵消以后,整個PFC電路的輸入電流紋波得以大大減小，有效減小電感和EMI濾波器的尺寸。圖2是交錯并聯Boost PFC的電流波形圖。整個系統采用雙環控制結構，電壓環對輸出電壓進行反饋和調節,實現輸出電壓穩定；電流環控制輸入電流跟隨輸入電壓變化,實現PFC的矯正，理論上能夠使功率因數達到1。
1.2 主電路參數設計
1.2.1 開關頻率的選擇
功率因數校正電路中，為了減小新型電源的體積和避免電路中的損耗過高，開關管的開關頻率不能偏低，也不能過高。本設計開關管的開關頻率fs為50 kHz，兩路電感電流交錯以后，實際輸入頻率達到100 kHz，這一頻率使得整個系統工作在最佳狀態。
1.2.2 耦合電感值的計算
兩路電感L1、L2采用正向耦合，在正常工作狀態下，L1、L2工作在DCM下，總的輸入電流工作在CCM下。由于兩路電感存在互感，解耦后的等效電路如圖3所示。
在輸入最低電壓峰值和PWM占空比小于0.5的情況下，需要滿足電感電流紋波要求。最小輸入峰值電壓為：
根據公式[7]：
得到：
其中Uo為輸出電壓有效值(400 V)，Uin為輸入電壓有效值，D為PWM占空比，且D<0.5，則電感值為：
取L1、L2的電感值為200 H，輸出功率為1 200 W。在輸出額定功率恒定的情況下，輸入最大電流峰值為：
設計中脈動電流為峰值電流的20%，則脈動電流：
電感上的峰值電流等于輸入最大峰值電流加上脈動電流的一半：
1.2.3 輸出電容的設計
當輸入電源切斷后，保持時間是指輸出電壓跌落到正常電壓的90%，設計保持時間：?駐t=1.5 ms，則輸出電容：
設輸入電壓為：
輸入電流為：
效率為：?濁=95%，則輸出電流為：
Io在系統滿負載時輸出的電流為3 A。輸出電流io(t)的交流分量流經輸出電容產生的電壓紋波為：
設計輸出紋波為輸出電壓的5%，則輸出電容為：
因此，輸出電容用一個1 000 F/450 V、一個220 F/450 V和2個10 F/450 V并聯，輸出電容實際值為1 240 F。
2 控制系統的分析與設計
為了實現系統恒功率的控制，取整流后的輸入電壓平均值為V，在模擬控制中，V由二階低通濾波得到，含有二次紋波，會影響功率因數的提高。在改進型算法中，用數字離散方法計算V：
式中，N表示一個周期內的采樣次數，取2 000次；V(i)表示第i次采樣值，避免了引入二次諧波，提高了功率因數。對于傳統PFC電路的基準電流容易受到輸入電壓干擾的缺點，提出了采用電壓環和電流環雙閉環數字PI控制算法。在此算法中，輸入電流正弦波形由DSP內部軟件完成，當輸入電壓受到干擾發生畸變時，能夠保證輸出為高度正弦的電流波形，從而使系統保持很高的功率因數，算法結構如圖4所示。
基準電壓Vref與輸出電壓采樣Vinput比較得到電壓誤差信號Verr，Verr經過電壓調節器輸出信號A。信號A、數字正弦表取值B、輸入電壓平均值C、比例系數Km作為電流基準算法的4個輸入，通過算法得到輸入電流基準Iref。Iref與輸入電流采樣值Iinput比較之后得到電流誤差信號Ierr，Ierr經過電流調節器計算后，輸出開關管的PWM驅動信號。由圖4可知，電壓環的傳遞函數：
其中，Vo是輸出電壓，令：
式中，Tv是采樣周期，將式(17)、式(18)代入式(16)進行z變換，得：
再進行z逆變換，得電壓環控制算法：
同理可得電流環傳遞函數：
式中，Io是開關管輸出電流，令：
采用雙線性變換：
式中，Ti是采樣周期，將式(23)、式(24)代入式(22)進行z變換，得：
再進行z逆變換，得電流環控制算法：
DSP數字控制程序由主程序和中斷服務子程序兩部分組成。主程序完成各功能模塊的初始化，中斷程序包括電壓環計算、電流基準算法、電流環計算。程序流程圖如圖5所示。
3 實驗結果
本文基于DSP數字控制平臺，根據硬件和軟件設計，制作了一臺1.2 kW的數字PFC電源，并對創新型算法進行實驗驗證。實驗參數：輸入電壓為220 V，開關頻率為50 kHz，耦合電感為200 H，輸出電容為1 240 ?滋F，輸出電壓為400 V。圖6(a)是輸出滿載1.2 kW的實驗結果，可見輸入電流波形跟隨輸入電壓波形，功率因素為0.993，效率為95.715%，THD為2.558%。圖6(b)是輸出負載突然變化的情況下，輸入電流大小隨輸出負載變化而變化的波形圖，可見輸入電流波形跟隨輸入電壓波形，沒有發生畸變，輸出電壓穩定，幾乎沒有抖動，功率因數為0.996，效率為95.506%，THD為2.304%。因此證明了新型電源和改進型算法的可行性和正確性，系統穩定性好，達到實驗要求。
4 結論
本文針對并聯交錯Boost PFC新型電源，對耦合電感和輸出電容進行了詳細的設計，提出了基于DSP的改進型雙閉環控制算法，外環為電壓環，內環為電流環，基于PI控制算法來實現內部運算，達到控制效果。最后設計并制作了1.2 kW的數字PFC電源。大量的實驗結果表明，新型電源有效提高了功率因數和效率，降低了THD，很大程度上減少了電路對電網的諧波污染，具有很好的穩定性和動態性，滿足工業上對負載突變的嚴格要求，擁有很好的市場應用前景。
參考文獻
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