數(shù)字升壓型功率因數(shù)校正轉(zhuǎn)換器的分析與設(shè)計(jì)

摘要:本文以升壓型轉(zhuǎn)換器為AC-DC功率因數(shù)校正整流器的基本結(jié)構(gòu)，控制核心采用DsPIC30F4011數(shù)字信號(hào)處理器，利用主動(dòng)式功率因數(shù)校正技術(shù)的平均電流控制法，提高功率因數(shù)，減少輸入電流諧波。為避免高功率因數(shù)轉(zhuǎn)換器電壓回路系統(tǒng)的帶寬限制，額外加入負(fù)載電流以改善負(fù)載變動(dòng)時(shí)輸出電壓的暫態(tài)響應(yīng)。詳細(xì)分析轉(zhuǎn)換器、系統(tǒng)建模及控制器設(shè)計(jì)，開發(fā)一個(gè)450W的數(shù)字升壓型功率因數(shù)校正轉(zhuǎn)換器，通過試驗(yàn)驗(yàn)證轉(zhuǎn)換器的高功率因數(shù)性能及輸入電壓幅值變動(dòng)和負(fù)載變動(dòng)時(shí)，輸出電壓的穩(wěn)壓性能。

　　傳統(tǒng)AC/DC整流器因橋式整流器和濾波電容在整流過程中產(chǎn)生脈沖電流，造成低功率因數(shù)及電流諧波，需要對(duì)功率因數(shù)進(jìn)行校正。理想的AC/DC轉(zhuǎn)換器應(yīng)具有兩種特性：從電網(wǎng)端看須具備高功率因數(shù)的特性，從負(fù)載端看要有穩(wěn)壓性能。主動(dòng)功率因數(shù)校正電路在運(yùn)行校正電路連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM)下，電路不具備功率因數(shù)校正的能力，需控制輸入電流，使輸入電流隨輸入電壓波形及相位變化來提高功率因數(shù)^[1-3]。利用平均電流控制的功率因數(shù)校正轉(zhuǎn)換器對(duì)負(fù)載變動(dòng)及輸出電壓的暫態(tài)響應(yīng)較為遲緩，且需要復(fù)雜的控制電路及額外的乘/除器，數(shù)字電路等。而Figures[4]提出的負(fù)載電流法能有效改善輸出電壓暫態(tài)響應(yīng)及穩(wěn)壓特性^[5-6]。

　　本文以數(shù)字信號(hào)處理器DsPIC30F4011為基礎(chǔ)，采用平均電流控制法與負(fù)載電流注入控制法實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制高功率因數(shù)升壓型AC/DC轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)包括內(nèi)回路電流控制、外回路電壓控制及負(fù)載電流注入控制，通過該系統(tǒng)能在負(fù)載和輸入電壓幅值變動(dòng)時(shí)，提高轉(zhuǎn)換器的功率因數(shù)及輸出電壓的穩(wěn)壓性能。

1 升壓型轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)

　　以數(shù)字信號(hào)處理器為基礎(chǔ)的數(shù)字控制高功率因數(shù)轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中內(nèi)回路系統(tǒng)電流控制的作用是使輸入電流隨輸入電壓變化，以達(dá)到高功率因數(shù)性能;外回路電壓控制作用是當(dāng)輸入電壓幅值及負(fù)載變動(dòng)時(shí)，整流器都能具有良好的輸出穩(wěn)壓性能;負(fù)載電流注入控制的作用是將負(fù)載電流狀態(tài)納入反饋控制電路，以改善輸出電壓的暫態(tài)響應(yīng)特性^[7-8]。

　　以平均電流控制法為基礎(chǔ)的高功率因數(shù)升壓型轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)方框圖如圖2所示，為設(shè)計(jì)內(nèi)回路電流控制器及外回路電路電壓控制器，以提高系統(tǒng)功率因數(shù)及輸出穩(wěn)壓性能，首先必須對(duì)升壓型轉(zhuǎn)換器進(jìn)行分析，并建立受控系統(tǒng)模型，得出相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，以此作為控制器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。

2 高功率因數(shù)升壓型轉(zhuǎn)換器分析與建模

2.1 升壓型轉(zhuǎn)換器分析

　　高功率因數(shù)升壓型轉(zhuǎn)換器如圖3所示，經(jīng)過橋式整流的電壓源的全波波型，線電壓半周期為。在穩(wěn)態(tài)分析前，假設(shè)：(1)切換周期T_s，開關(guān)導(dǎo)通比d;(2)電路運(yùn)行在連續(xù)導(dǎo)通模式;(3)輸出電容足夠大，使輸出電壓為固定值V₀。

　　在穩(wěn)態(tài)下，利用伏秒平衡定理有：

(1)

　　整理可得：

(2)

　　因?yàn)閛<d(t)<1，輸出電壓V₀恒大于輸入電壓V_g。穩(wěn)態(tài)時(shí)，輸入電壓與導(dǎo)通比變化關(guān)系如圖4。

2.2 內(nèi)回路電流控制系統(tǒng)建模

　　內(nèi)回路電流控制的目的是讓平均輸入電流隨輸入電壓波形變化，以達(dá)到高功率因數(shù)。通過對(duì)比感測(cè)電壓V_idg與參考電壓V_iigref，得到誤差信號(hào)e_i，如圖2所示。在經(jīng)過電流控制器C_I(S)和脈沖寬度調(diào)制器產(chǎn)生導(dǎo)通比d的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制開關(guān)的開和關(guān)，使平均輸入電流隨輸入電壓變化^[9-10]。

　　為設(shè)計(jì)電流控制器，需建立控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。本文利用狀態(tài)空間平均法對(duì)升壓型轉(zhuǎn)換器作交流小信號(hào)分析，推導(dǎo)出控制系統(tǒng)的輸出函數(shù)，作為C_I(S)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。小信號(hào)分析可分為以下步驟：

　　1. 電路狀態(tài)方程：升壓型轉(zhuǎn)換器如圖3，若開關(guān)S打開，則二極管關(guān)閉，方程為：

(3)

(4)

　　若開關(guān)S關(guān)閉，則二極管打開，方程為：

(5)

(6)

　　2. 線性化：對(duì)電感電流i_L，輸入電壓V_g，電容電壓V_c0，導(dǎo)通比d，忽略直流項(xiàng)及交流乘積項(xiàng)，可得線性方程式：

　(7)

(8)

　　3. 傳遞函數(shù)：求出輸出信號(hào)對(duì)控制信號(hào)導(dǎo)通比的傳遞函數(shù)為：

(9)

2.3 外回路電壓控制系統(tǒng)建模