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功率因數校正(PFC)的數字控制方法
摘要：控制技術的數字化是開關電源的發展趨勢。相對于傳統的模擬控制技術，采用數字控制技術的功率因數校正（PFC）具有顯著的優點。詳細討論了采用數字信號處理器（DSP）作為控制核心時的設計事項和方法，最后提出了數字控制技術有待解決的問題。引言
電力電子產品的廣泛使用，對電網造成了嚴重的諧波污染。這使得功率因數校正（PFC）技術成為電力電子研究的一個熱點。功率因數校正的目的，就是采用一定的控制方法，使電源的輸入電流跟蹤輸入電壓，功率因數接近為1。傳統上，模擬控制在開關電源應用中占據了主導地位[1]。隨著高速度，廉價的數字信號處理器（DSP）的出現，在開關電源中使用數字控制已成為發展的趨勢[2][3][4][5][6]。
本文對實現PFC的模擬控制方法和數字控制方法進行了比較，介紹了采用數字控制的獨特優點。詳細討論了采用數字信號處理器作為控制核心時的設計事項和方法。
1 PFC模擬控制和數字控制的比較
功率因數校正的模擬控制方法已經使用了多年，也有現成的商業化集成電路芯片（比如TI/Unitrode的UC3854，Fairchild的ML4812，STmicroelectronics的L6561等）。圖1(a)是基于UC3854的模擬控制電路結構方框圖。電路采用平均電流控制方式，通過調節電流信號的平均幅度來控制輸出電壓。整流線電壓和電壓誤差放大器的輸出相乘，建立了電流參考信號，這樣，這個電流參考信號就具有輸入電壓的波形，同時，也具有輸出電壓的平均幅值。PFC的模擬控制方法簡單直接。但是，控制電路的元器件比較多，電路適應性差，容易受到噪聲的干擾，而且調試麻煩。因此，模擬控制有被數字控制取代的趨勢。
圖1(b)是PFC的數字控制原理框圖。類似于模擬方法，使用了兩個控制環路：電壓環和電流環。電壓環通過調節平均輸入電流來控制直流總線電壓，電流環控制交流輸入電流使之跟蹤輸入電壓。控制過程由DSP完成，通過DSP的軟件來實現電流和電壓的調節。
數字控制方法具有以下幾個優點：
1）通過軟件調整控制參數，比如，增益和帶寬，從而使系統調試很方便；
2）大量控制設計通過DSP來實現，而用模擬控制器是難以實現的；
3）在實際電路中，使用數字控制可以減少元器件的數量，從而減少材料和裝配的成本；
4）DSP內部的數字處理不會受到電路噪聲的影響，避免了模擬信號傳遞過程中的畸變、失真，從而控制可靠；
5）如果將網絡通信和電源軟件調試技術相結合，可實現遙感、遙測、遙調。
現在，數字控制PFC方法已經在深入研究。文獻[7]提出了一個基于模擬儀器公司ADMC401的數字控制PFC方案，如圖2所示。為了實現數字控制，模擬控制變量〔包括輸入電流iL（t），輸入電壓vin（t）和輸出電壓vo（t）〕必須轉換成數字量。將模擬控制變量除以他們相應的參考值（，和），得到相對值,再由ADC變換器將獲得的相對值轉換成數字量。其中iL,n，vin,n，vo,n分別表示相應的第n個采樣值。
數字控制器包括一個電流環和一個電壓環。對于電流環，將指令輸入電流減去輸入電流iL,n所得的電流誤差ie,n輸入到電流環數字PI控制器。最后，將控制器輸出的占空比Dn輸入到PWM產生單元，控制開關S的通斷。對于電壓環，PFC變換器的輸入電導期待值ge,n與輸入電壓vin,n相乘，得到指令輸入電流iL,n＊。
2 數字控制的實現
在實現一個電力電子系統的實際數字控制器時，需要考慮大量的因素，比如，控制處理器的選擇，采樣算法和采樣頻率的確定，PWM信號的產生，控制器和功率電路之間的連接，硬件設計和控制算法的軟件實現等。這些因素都會對系統的性能產生很大影響，需要細心設計和實際實驗。
2.1 微處理器的選擇
在設計控制系統時，微處理器的選擇需要考慮很多的因素，諸如功能，價格，硬件設計的簡單性和軟件支持等。現在，已經有多種內嵌有PWM單元和A/D轉換等控制外設的DSP芯片可供選擇(比如TI的TMS320C2XX系列，AD的ADMCXXX系列，Motorola的DSP56800等)。以TI公司的TMS320C2XX系列為例，它擁有很多良好的特性，比如，多個獨立可編程的時鐘，50ns指令周期，16位并聯乘法器，兩通道多路復用的10位A/D轉換器，還有片內RAM和EEPROM等。這使得它成為實現功率變換系統數字控制的首選。如果需要進一步降低成本，可以選擇STmicro?controller的8位DSPST52x420。
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