基于MC56F8323的單相功率因數(shù)校正模塊的應(yīng)用

基于DSP的數(shù)字控制逐漸和電力電子應(yīng)用緊密結(jié)合,功率因數(shù)校正是電力電子技術(shù)的一個重要應(yīng)用,利用Motorola新型號MC56F8323的高性能特性,完成了基于DSP的功率因數(shù)校正應(yīng)用模塊研究,給出了詳細(xì)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和控制參數(shù)。最后用一臺500W實(shí)驗(yàn)樣機(jī)驗(yàn)證了數(shù)字控制所帶來的優(yōu)良的系統(tǒng)性能。
關(guān)鍵詞：功率因數(shù)校正;數(shù)字信號處理;PI控制

0 引言
電力電子變換技術(shù)是隨著電力半導(dǎo)體器件的發(fā)展而發(fā)展的。隨著計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展,數(shù)字信號處理技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生,并得到了迅速的發(fā)展。數(shù)字控制由于其控制理淪與實(shí)施手段的不斷完善,且閱為其具有高度集成化的控制電路、精確的控制精度、以及穩(wěn)定的工作性能,如今已成為功率電子學(xué)的一個重要研究方向,而且數(shù)字控制也是最終實(shí)現(xiàn)電源模塊化、集成化、數(shù)字化、綠色化的有效手段。
功率因數(shù)校正作為電力電子功率變換的一種典型應(yīng)用,具有廣泛的工程應(yīng)用價值,本文研究的內(nèi)容是在Moturola的MC56F8323所構(gòu)成的數(shù)字控制硬件基礎(chǔ)上,對數(shù)字化控制的功率因數(shù)校正應(yīng)用模塊進(jìn)行了研究,將數(shù)字化控制應(yīng)用到高頻開關(guān)的功率因數(shù)校正領(lǐng)域。

l 單相功率因數(shù)校正技術(shù)
功率因數(shù)PF(Power Factor)的定義是交流輸入有功功率P與輸入視在功率S之比,其表達(dá)式為

式中：Vrms是電網(wǎng)電壓的有效值;
Irms是電網(wǎng)電流的有效值;
V1rms是電網(wǎng)基波電壓有效值,在以下的討論中,都認(rèn)為電網(wǎng)電壓是理想的正弦波,即Vrms=V1rms。
I1rms是電網(wǎng)基波電流有效值;cosΦ是基波電壓電流的相移因數(shù)(displacement factor)：
γ=I1rms/Irms是電網(wǎng)電流的失真因數(shù)(distonlon factor)。
因此,功率因數(shù)PF又可以定義為電流失真因數(shù)和相移因數(shù)的乘積。
單管Boost型PFC電路是現(xiàn)在實(shí)際工程應(yīng)用中最為廣泛的一種有源功率因數(shù)校正電路,其電路工作框圖如圖1所示。主電路由不可控整流電路、電感、開關(guān)管和濾波電容組成。其輸入側(cè)有儲能電感L,可以減小輸入電流紋波,防止電網(wǎng)對主電路高頻瞬態(tài)沖擊,且可減少對輸入濾波器的要求,對整流器呈現(xiàn)電流源負(fù)載特性;其輸出側(cè)有濾波電容,可以減小輸出電壓的紋波,對負(fù)載呈現(xiàn)電壓源特性。

從前面的分析可知,PFC電路主要完成兩方面任務(wù)：
1)控制電感電流,盡量使輸入電流接近正弦,保證其γ接近于1,并使輸入電流基波跟隨輸入電壓相位;
2)控制輸出電壓,使輸出電壓保持恒定。
因此需要兩個控制環(huán)進(jìn)行控制,電壓環(huán)是外環(huán),采樣輸出電壓,保持輸出電壓恒定;電流環(huán)是內(nèi)環(huán),采樣電感電流,迫使電感電流跟蹤電流給定,減小輸入電流諧波。

2 基于數(shù)字控制功率因數(shù)校正模塊的系統(tǒng)框架
數(shù)字化使得電力電子變換控制更為靈活,在CPU計(jì)算速度允許的情況下,可以實(shí)現(xiàn)模擬控制難以做到的復(fù)雜控制算法,用戶可以根據(jù)自己的系統(tǒng)需求,方便地更改控制器參數(shù),即便是在控制對象改變的情況下,也不需要對控制器硬件做修改,只要改變某些軟件參數(shù)即可,從而大大增強(qiáng)了系統(tǒng)的硬件兼容性。另一方向,數(shù)字電路不易受到外界環(huán)境的干擾,增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。

但是,數(shù)字控制所采用的CPU計(jì)算速度決定廠數(shù)字控制系統(tǒng)的適用場合,現(xiàn)在數(shù)字控制多被用于計(jì)算速度要求不太苛刻的場合,例如,UPS和逆變器控制等,計(jì)算頻率一般小于20 kHz?？刂祁l率大于100 kHz的高頻功率變換現(xiàn)在主要還是采用模擬器件控制,這主要是受到CPU計(jì)算速度的限制。本文采用Motorola公司的新型DSP芯片MC56F8323,將數(shù)字控制引入到高頻有源功率因數(shù)校正的控制之中,完成了基于數(shù)字控制的功率因數(shù)校正模塊應(yīng)用,并取得廠良好的控制效果。
基于MC56F823的PUC模塊系統(tǒng)框圖如圖2所示,主電路采用傳統(tǒng)的單管Boost的功率拓樸結(jié)構(gòu),由主功率管S,升壓二極管D,儲能電感L以及輸出電容C組成,輸入側(cè)還包括輸入EMI濾波,輸入繼電器以及二極管全波整流電路。全波整流電壓Vrect,輸入電流Iin,和輸出直流母線電壓Vbus三個模擬變量送至DSP模數(shù)轉(zhuǎn)換。本文的數(shù)字調(diào)節(jié)器均采用PI算法。從圖2中可以看出,數(shù)字PFC
采用雙環(huán)控制,外環(huán)電壓環(huán)速度較慢,輸出的直流母線電壓經(jīng)采樣與輸出電壓的給定值相比較,經(jīng)電壓環(huán)PI調(diào)節(jié)器G1,輸出表示為a。
G1的傳遞函數(shù)為