数字控制有源功率因数校正器的设计

数字控制有源功率因数校正器的设计摘要：直流电源系统是变电站的重要组成设备,其为负载提供不间断电源，应用于直流电源的高频开关电源模块须具备功率因数校正功能。利用Freescale新型号MC56F8025的高性能特性，完成了基于DSP的具有软开关特性的数字控制有源功率因数校正电路的设计，描述了系统设计过程。最后通过2.2kW的实验样机验证了数字控制带来的优良特性。关键词：有源功率因数校正；DSP；开关电源；软开关中图分类号：TM4DesignofDigitalControlActivePowerFactorCorrectionRectifierHUANGHai-hong1，WangHai-xin1，GAOGe2，FuPeng2(1．HefeiUniversityofTechnology，Hefei230009，China；2．InstituteofPlasmaPhysics，ChineseAcademyofScience，Hefei230031，China)Abstract：TheDCpowersupplyisanimportantdeviceinsubstations，itcansupplyuninterruptedpowerforload，thehighfrequencyswitchmodepowermodulemusthavefunctionofpowerfactorcorrection.BasedonFreescalenewDSPchip-MC56F8025，andigitalactivepowerfactorcorrectionrectifierwithsoftswitchcharacteristicwasdesigned，theprocessofsystemdesignwasdescribed.Atlasta2.2kWprototypewasbuilttoverifythefavorableperformanceresultedfromdigitalcontrol.Keywords：activepowerfactorcorrection；DSP；switchmodepowersupply；softswitch1引言直流操作电源系统是发电厂、变电站中不可缺少的二次设备之一，其由整流电源、蓄电池组和馈电部分组成。通常情况下，整流电源进行AC-DC变换，对蓄电池组充电的同时，通过馈电部分向直流负荷供电；在交流停电时，蓄电池组通过馈电部分向直流负荷供电，可以保证直流负荷不停电。直流操作电源虽然在二次设备中所占比重很小，但它的可靠性直接影响发电厂和变电站设备的安全可靠运行。目前直流操作电源已普遍采用高频开关电源模块并联运行方式，与传统的晶闸管相控电源相比，其技术指标优异，如稳压、稳流精度高，纹波系数低，与阀控密封铅酸蓄电池组易组成直流电源成套装置。开关电源由于输入端有整流、电容平波电路，使其输入电流呈尖脉冲状，功率因数通常只有0.6～0.7，会对电网造成谐波污染，造成电力公害，干扰其它用电设备，使测量仪表产生较大误差。为降低电源装置对电网的污染，EMI及EMC的有关标准对不同功率等级电源装置的功率因数及谐波电流值有明确的规定，因此电力用开关电源需加功率因数改善电路。2有源功率因数校正基本原理目前功率因数校正功率有两种方法：无源功率因数校正（PFC）和有源功率因数校正（APFC）。无源功率因数校正方法是在输入端加入电感量很大的低频电感，并降低滤波电容的容量，以减小滤波电容充电电流的尖峰，校正后的功率因数能达到0.9以上，一般用于三相输入的大功率的开关电源模块。[1]APFC的基本思路是在输入端加入高频功率开关管及相应的控制器，如图1所示，控制器通过采集交流输入电压、输入电流和输出电压信号，利用输出电压控制环的输出UO(t)与输入整流后的电压UAC(t)相乘，得到一个电流参考信号Iref(t)，用于控制功率管V的导通和关断，使得电感L中电流波形跟踪Iref(t)波形，从而使输入交流平均值波形跟随输入电压波形,成为与输入电压同相位的近似正弦波，可使功率因数接近于1，同时输出电压UO(t)得到控制。[2]目前国内有源功率因数校正方法主要用于单相输入的开关电源模块，其中采用美国UnitrodeIC公司的UC3854作为APFC的控制用集成电路较为普及。ACPWMIAC(t)Iref(t)UAC(t)Uref(t)UO(t)电流环电压环VL图1有源功率因数校正电路框图3数字控制APFC电路随着计算机和信息技术的飞速发展，数字信号处理技术得到了迅速的发展。数字控制使得电力电子变换控制更为灵活，在CPU计算速度允许的情况下，可以实现模拟控制难以做到的复杂控制算法，设计者可以根据自己的系统需求，方便地更改控制器参数，即便是在控制对象改变的情况下，也不需要对控制器硬件做修改，只要改变某些软件参数即可，从而大大增强了系统的兼容性。由于数字控制所采用的CPU计算速度决定了数字控制系统的适用场合，故现在数字控制多被用于计算速度要求不太苛刻的场合，例如，UPS和逆变器控制等，计算频率一般小于20kHz，而控制频率大于100kHz的高频功率变换目前主要还是以模拟器件控制为主。随着DSP的应用逐渐普及，用DSP取代模拟电路中的专用PWM集成电路，实现电力用高频开关电源数字控制已成为研究的热点。本文采用Freescale（飞思卡尔）的MC56F8025数字信号处理器作为控制芯片，实现有源功率因数器的数字控制。MC56F8025是56800E系列的16位定点DSP，采用双哈佛结构，主频可达32MHz，运算能力达32兆条指令/秒，单指令周期可完成16×16位并行乘加运算，具有4个带扩展位的36位累加器，3条内部地址总线和4条内部数据总线，内置16k字Flash和2k字节RAM，6路PWM输出和双4路ADC等其它丰富的外设资源。ACL1L2D1V1C1D2C2V2PWM0PWM1ADCA0ADCB0ADCA1MC56F8025Km*Vr*IshapeVffVrVerrVrefVbusIshapeIrefCalcIinVffVffG1G2图2数字控制有源功率因数校正器框图如图2所示，在基于MC56F8025的APFC电路中，数字控制器采样全波整流电压、输入电流和输出直流电压三个变量，送入DSP处理。电压外环G1保证输出直流电压稳压在给定值，电压环的输出Vr决定电流环给定的幅值。数字正弦电流波形给定Ishape决定电流环给定的形状，保证输入电流的正弦化。输入电压的采样不仅决定了输入电流的过零点，保证输入电流与输入电压相位一致，同时输入电压前馈也加速了输入变化时系统的响应速度。电流内环G2将输入电流采样值Iin与电流环给定Iref相比较，经电流环的PI调节器产生变化的占空比参数，通过PWM0/1控制功率管的驱动波形，达到输入功率因数校正和稳定输出电压的目的。在传统的APFC电路中，主功率管工作在硬开关状态，开通时的电流上升和电压下降及关断时的电流下降和电压上升均同时发生，会造成较大的开关损耗，当开关频率较高时，开关损耗远大于开通时导通压降带来的损耗。为克服上述硬开关的缺点，本文在功率因数校正电路中引入带软开关辅助网络的零电压转换PWM电路[3]。通过在主开关管V1两端并联缓冲电容C2可限制V1关断时的电压上升率，降低了V1的关断损耗。辅助功率管V2先于V1导通，使C2与L2构成的谐振回路工作，当V1两端电压下降到零时，V1内部的反并二极管导通钳位，实现V1零电压导通。4数字控制APFC软件设计根据功率因数校正原理，可将APFC算法结构分成三部分，如图3所示：电压外环，给定算法和电流内环。电压外环实现输出直流电压跟随给定电压，实现稳压输出；电流给定算法计算电流波形给定，并完成恒功率电压前馈；电流内环实现输入交流电流跟随输入电流给定，完成功率因数校正。图3数字控制功率因数校正算法结构在传统APFC模拟控制算法中，电流的波形给定以输入电压波形作为依据，同时为达到恒功率电流均值控制，电流环的给定将输入电压有效值平方作为倒数，如下式所示：tVVvKi0s2ffvOm*sin式中：i*为输入电流给定；Km为比例系数；vvO为电压调节器的输出；Vs为输入电压峰值；Vff为前馈电压的有效值。在模拟电路实现的APFC算法中，由于将输入电压波形作为输入电流的波形给定，会将输入电压的纹波带入输入电流控制，若电源外界工作环境不佳，会影响电源的输入功率因数校正效果。而在基于DSP的数字控制中，正弦给定可以方便地由DSP内部软件完成，给定波形为纯净正弦，不受输入电压的影响，其算法公式见下：shapeffvOm*IVvKi式中Ishape为DSP软件程序生成的纯正弦给定。考虑到电网电压频率会发生波动，数字正弦给定波形的频率应随输入电压频率的变化而变化。在DSP程序中量化正弦表的点数固定，在读表频率一定时，须实时改变读表步长。设N为总的读表次数，M为顺序读表次数，Nsrep为第M次读表时对应的读表步长，其意义是当前读表指针应跨过的正弦表点数。NMSN)1(pstepN=fr/fsM=1，2，3……N式中：Sp为正弦表总点数；fr为读表频率，是由软件设定的固定值；fs为输入电压两倍频率（输入电压采样为整流后的全波电压波形），可通过采样结果进行周期判断得到。同时通过硬件捕获输入电压过零点，在捕获中断中将正弦给定读表指针归零，实现输入电压与DSP内部正弦给定的同步。在数字控制系统中，电压环和电流环的调节器均采用数字PI调节器。PI调节器通过控制偏差进行控制，控制偏差为给定值r(t)与实际输出值c(t)的差制值：e(t)=r(t)-c(t)将偏差的比例(P)和积分(I)通过组合构成控制量，对被控对象进行控制：tdtteTteKtu0IP)(1)()(式中：u(t)为PI调节器输出；e(t)为PI调节器输入；KP为比例系数；TI为积分时间常数。由于DSP的控制是一种离散的数字控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量，因此，必须对上式进行离散化处理，用一系列采样时刻点k代表连续的时间t，离散的PI控制算法表达式为：kjkjjeKkeKjeTTkeKku0iP0isP)()()()()(式中：k=0，1，2……表示序列；u(k)为第k次采样时刻PI调节器的输出值；e(k)为第k次采样时刻输出的偏差值；Ts为采样周期；Ti为积分时间常数；Ki为积分系数。在上式中由于在积分环节中每次要e(k)对进行累加，易出现积分饱和的情况。为解决该问题，对算法进行修改，采用抑制积分饱和的PI算法[4]，如下式所示：)1()()(nPnIneKnUPIsatinn)()1()(eKneKnInI)(SPInUUemaxminmaxmaxminminS)()()()(UnUUnUUnUUUnUUU式中：US为抑制积分饱和的PI算法的输出；U(n)为本次PI调节器的计算结果；Ksat为抗饱和系数；In(n)为本次积分累加和；Umax和Umin为PI调节器输出的最大值和最小值。当控制对象为PWM占空比时，Umax和Umin的值可分别设置为1和0。使用这种PI算法，可将调节器的输出限制在需要的范围内，保证当计算出现错误时也不会使控制量出现不允许的数值，PI调节器的输出具有抗饱和特性。5系统实验考虑到额定输出电流为10A的开关电源模块在电力直流操作电源中应用最为普及，作为DC/DC前的功率因数校正部分，样机技术要求如下：输入电压：220VAC输出电压：380VDC输出额定功率：2.2kW开关频率：100kHz功率因数：99%时间10ms/格电压200V/格电流10A/格图4输入电压和输入电流波形图4中的实验波形表明输入电流在相位上跟踪输入电压波形，且保持了优秀的正弦特性。为验证数字控制APFC的效果，与传统的采用UC3854为控制芯片的模拟APFC电路相比较，数据对比如表1所示。表1模拟电路和数字电路实验数据对比输入电压(V)输入