一種PFC變換器輸入電壓前饋控制方法

摘要：功率因數(shù)校正(PFC)變換器輸入電壓有效值前饋控制算法計(jì)算量大，且存在輸入電流畸變現(xiàn)象。本文詳細(xì)分析了PFC變換器輸入電流在輸入電壓過(guò)零點(diǎn)附近產(chǎn)生畸變的原因，指出PFC變換器輸入電流超前于輸入電壓是導(dǎo)致輸入電流畸變的主要原因。通過(guò)一種輸入電壓前饋控制算法，簡(jiǎn)化了控制算法并提高了DSP的工作效率，改善了PFC變換器輸入電流畸變現(xiàn)象。仿真結(jié)果證明了本文所提出的方法的有效性，特別是提高了PFC變換器對(duì)輸入電壓的響應(yīng)速度。

敘詞：功率因數(shù)校正 輸入電壓前饋 相位差 數(shù)字控制

Abstract： Feedforward control arithmetic calculation load of PFC input voltage effecive value is huge, and there exists input current distortion. The article discusses in detail the reasons of input current distortion after the input voltage of PFC convertor passes zero point, pointing out that the major reason for input current distortion is that the input current of PFC convertor advances before the input voltage. By an input voltage feedforward control arithmetic, the control arithmetic is simplified , the efficiency of DSP is improved and the input current distortion of PFC convertor is mended. Simulation experiments prove that the strategy provided by this article is effective. In particular, the PFC convertor response speed to input voltage has been significantly improved.

Keyword：Input voltage feedforward, Phase difference, Digital control

1 引言

隨著“綠色電源”觀念的深入，為了抑制諧波及降低電磁污染，功率因數(shù)校正(PFC)技術(shù)正成為電力電子技術(shù)研究的重要領(lǐng)域。在高性價(jià)比的CPU和DSP不斷涌現(xiàn)的今天，數(shù)字控制在功率因數(shù)校正技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。與模擬控制相比，數(shù)字控制不僅具有控制簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，而且通過(guò)軟件編程，可以實(shí)現(xiàn)不同的控制功能，具有很大的靈活性，DSP也因此在功率因數(shù)校正電路中獲得了廣泛的應(yīng)用[1-3]。

平均電流控制是目前廣泛應(yīng)用的PFC控制方法[4]，它通過(guò)控制Boost PFC開關(guān)變換器的平均輸入電流，使其為與輸入電壓同相位的正弦波，從而實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)。在基于DSP的平均電流控制方案里，為了保證在輸入電壓變化時(shí)PFC變換器輸入功率恒定，DSP需要計(jì)算輸入電壓有效值的平方作為正弦基準(zhǔn)電流的分母。大量的采樣、計(jì)算及處理工作和DSP 有限的執(zhí)行速度，使得PFC變換器對(duì)輸入電壓的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度慢，且開關(guān)工作頻率受到限制。此外，在輸入電壓過(guò)零點(diǎn)附近，由于PFC變換器的電感電流上升率很小，電感電流很難跟蹤上正弦基準(zhǔn)電流[5];在負(fù)載很輕時(shí)，電感電流工作于斷續(xù)狀態(tài)，變換器的電流環(huán)路增益和帶寬很小，電感電流更難跟蹤上正弦基準(zhǔn)電流[6]，從而使輸入電流發(fā)生畸變。因此，分析并研究PFC電路的輸入電壓前饋控制算法，具有十分重要的意義。

文獻(xiàn)[7]提出了采用輸入電壓平均值作為正弦基準(zhǔn)電流分母的方法，該方法需要對(duì)輸入電壓進(jìn)行累加、取平均運(yùn)算，計(jì)算量較大;文獻(xiàn)[8]提出了采用三電平Boost變換器來(lái)減小輸入電流畸變的方法，該方法需要對(duì)兩個(gè)輸出電容進(jìn)行均壓，控制較復(fù)雜;文獻(xiàn)[9]提出了采用占空比前饋控制環(huán)來(lái)減小輸入電流畸變的方法，該方法需要設(shè)計(jì)輸入電壓低通濾波器來(lái)保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)較復(fù)雜，且控制效果不明顯。本文提出一種基于DSP的PFC輸入電壓前饋控制策略，采用輸入電壓峰值作為正弦基準(zhǔn)電流的分母，極大地減少了DSP的計(jì)算量，提高了PFC變換器對(duì)輸入電壓的響應(yīng)速度。針對(duì)Boost PFC變換器輸入電流畸變的現(xiàn)象，提出根據(jù)輸入電壓過(guò)零點(diǎn)處所檢測(cè)的輸入電流值來(lái)修正給定正弦基準(zhǔn)電流的初相角，從而改善PFC輸入電流畸變的控制方法。仿真研究結(jié)果表明，本文所提出的輸入電壓前饋控制策略可以有效地提高PFC變換器對(duì)輸入電壓的響應(yīng)速度，同時(shí)減弱了PFC變換器輸入電流畸變的現(xiàn)象。

2 輸入電壓前饋環(huán)節(jié)分析

圖1 平均電流控制的Boost PFC變換器

下面我們將分析如圖1所示平均電流控制單相Boost PFC變換器的輸入電壓前饋環(huán)。在圖1中，假設(shè)電網(wǎng)輸入電壓為vin(t)=Vmsin(ωt)，其中Vm為輸入電壓峰值， 為輸入電壓角頻率。PFC變換器的效率非常高，且開關(guān)頻率遠(yuǎn)大于電網(wǎng)頻率，則在電網(wǎng)工頻周期內(nèi)變換器儲(chǔ)存或消耗的能量可以忽略不計(jì)。

因此，PFC變換器從電網(wǎng)上吸收的瞬時(shí)功率Pin和輸出的瞬時(shí)功率Po相等。按照定義，如果功率因數(shù)為1，則輸入電流是與電網(wǎng)電壓同相位的正弦波。設(shè)輸入電流為：iin(t)=Imsin(ωt)，則有：

Po=Pin=VmImsin2(ωt) (1)

由(1)式可知，PFC變換器輸出功率恒定時(shí)，若輸入電壓發(fā)生變化，則輸入電流必然隨著輸入電壓成反比例變化;另一方面，對(duì)于PFC控制系統(tǒng)而言，為了得到較高的功率因數(shù)，瞬時(shí)輸入電流與瞬時(shí)輸入電壓成正比關(guān)系。顯然，同時(shí)滿足上述要求是互相矛盾的。在傳統(tǒng)PFC控制算法里，輸入電壓前饋環(huán)將輸入電壓有效值(或平均值)的平方作為正弦基準(zhǔn)電流給定算法的分母，實(shí)現(xiàn)恒功率控制，控制器設(shè)計(jì)復(fù)雜且對(duì)輸入電壓的響應(yīng)速度慢。此外，需將輸入電壓波形采樣作為輸入電流的波形給定，這樣勢(shì)必將輸入電壓的紋波帶入電流控制。如果電源外界工作環(huán)境較差，輸入電壓發(fā)生畸變或者輸入電壓采樣調(diào)理電路受到干擾，就會(huì)使輸入電流的基準(zhǔn)發(fā)生畸變，從而使輸入電流的正弦度受到破壞，最終影響PFC系統(tǒng)的輸入功率因數(shù)校正結(jié)果。

3 輸入電流過(guò)零畸變分析

Boost變換器的輸入電壓VB-in 為：

VB-in(t)=sign(sin(ωt)) Vmsin(ωt) (2)

由于基準(zhǔn)正弦電流iref與變換器輸入電壓同相，因此，理想的變換器輸入電流iL為：