數(shù)字控制PFC電路的模型與環(huán)路設(shè)計(jì)分析

摘要：本文介紹了以 BOOST 為主拓?fù)涞?PFC 電路的小信號模型建立，討論并給出了在數(shù)字控制下電流環(huán)與電壓環(huán)補(bǔ)償環(huán)路的設(shè)計(jì)方法，采用 TI 公司的 TMS320LF2407A 控制芯片，對控制方案進(jìn)行了驗(yàn)證。

1.引言

在電力電子電路中，非線性開關(guān)電源的應(yīng)用使得諧波電流對電網(wǎng)造成了污染和危害。為提高電網(wǎng)功率因數(shù)， 功率因數(shù)校正技術(shù)得到迅速發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。近年來，隨著數(shù)字信號處理技術(shù)的飛速發(fā)展，以 DSP為核心數(shù)字信號處理芯片開始廣泛的應(yīng)用于開關(guān)電源中。數(shù)字控制較之模擬控制有很多優(yōu)點(diǎn)，比如控制減少成本，適應(yīng)性好，開放周期短等，數(shù)字控制將是功率因數(shù)校正領(lǐng)域今后的發(fā)展方向。

2.PFC 電路模型建立

目前應(yīng)用最廣泛的電路是如圖 1 所示以 Boost 為主拓?fù)涞?PFC， Boost 電路具有電感電流連續(xù)、 可抑制EMI 噪聲，電流波形失真小，在整個輸入電壓范圍內(nèi)能保持較高的功率因數(shù)。 PFC 電路通常采用雙環(huán)控制，電流環(huán)是內(nèi)環(huán)， 控制輸入電流波形跟隨輸入電壓波形;電壓環(huán)是外環(huán)，調(diào)節(jié)輸出電壓保持穩(wěn)定。

建立小信號數(shù)學(xué)模型，分析變換器的低頻動態(tài)特性可以為我們更好的了解電路本質(zhì)，為環(huán)路設(shè)計(jì)提供依據(jù)。就小信號而言，在靜態(tài)工作點(diǎn)附近用線性關(guān)系近似代替變量間的非線性關(guān)系，使得各小信號分量之間用線性方程來描述，實(shí)現(xiàn)了非線性系統(tǒng)的線性化。

2.2 電流內(nèi)環(huán)模型

電流環(huán)是 PFC 雙環(huán)控制的核心，它控制輸入電流跟蹤輸入電壓波形，并與輸入電壓成比例。圖 3 為電流環(huán)的框圖

2.3 電壓外環(huán)模型

電壓環(huán)是 PFC 控制的外環(huán)，其作用是穩(wěn)定輸出電壓并保持輸出電壓高于輸入電壓峰值的電壓上。圖 5為電壓環(huán)控制框圖

為使 PFC 電路有較好的穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)性能，必須對電流環(huán)和電壓環(huán)進(jìn)行反饋補(bǔ)償, 通過適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，合理配置零極點(diǎn), 改善電路特性。在數(shù)字控制中，PI 補(bǔ)償器因其在數(shù)字實(shí)現(xiàn)上較為簡單，且有成熟的工業(yè)自動控制應(yīng)用背景，在數(shù)字控制 PFC 電路中被廣泛采用。

3.1 數(shù)字補(bǔ)償器的模擬設(shè)計(jì)方法

數(shù)字補(bǔ)償器最簡單的設(shè)計(jì)方法是把模擬設(shè)計(jì)的 PI直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字控制，但在 s 域中零階保持器和采樣器設(shè)計(jì)比較難，因此常常忽略控制回路中所有的零階保持器和采樣器，然后在 s 域內(nèi)按照連續(xù)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，最終將模擬補(bǔ)償器轉(zhuǎn)換為數(shù)字補(bǔ)償器。