最經(jīng)典的功率因數(shù)控制器設計方案，完整硬件框圖

項目背景及可行性分析

1. 項目名稱、項目的主要內(nèi)容及目前的進展情況

項目名稱：基于FPGA的功率因數(shù)控制器

項目的主要內(nèi)容：為了進一步提高電源功率因數(shù)和降低對電網(wǎng)造成的諧波污染，各種拓撲結構的功率因數(shù)校正（Power Factor Correction，PFC）技術已經(jīng)成為電力電子技術研究的熱點之一。開發(fā)一款通用的功率 項目主要的控制算法部分用硬件描述語言實現(xiàn)，并做成控制模塊添加到FPGA系統(tǒng)中。在軟件設計部分，采用μC/OS-II進行多任務調度來實現(xiàn)PC機的人機界面控制、本地調試和遠程控制接口的通訊等。

2. 項目關鍵技術及創(chuàng)新點的論述；

項目的關鍵技術：首先是浮點數(shù)運算，還有流水線設計以及模塊的分時復用等。

創(chuàng)新點：傳統(tǒng)的PFC數(shù)字控制器都是基于DSP的，本項目用FPGA代替?zhèn)鹘y(tǒng)的DSP芯片。

3. 技術成熟性和可靠性論述：

由于PFC模擬和傳統(tǒng)的DSP控制已經(jīng)大量應用，故項目的理論基礎是很成熟的。但由于以PFGA系統(tǒng)級的設計作為PFC的手段，在市面上幾乎沒有，所以用FPGA設計PFC具有前瞻性的意義。

項目實施方案

1.方案基本功能框圖及描述

功率電路選用Boost升壓型拓撲。

控制電路采用CCM（電感電流連續(xù)）的平均電流控制法。

圖3-1 PFC原理框圖

電壓環(huán)通過調節(jié)平均輸入電流來控制直流總線電壓，實現(xiàn)功率因數(shù)校正的首要任務；電流環(huán)控制交流輸入電流使之跟蹤輸入電壓，實現(xiàn)功率因數(shù)校正的第二個任務。具體過程是：輸出電壓分壓后與參考電壓比較，然后經(jīng)電壓控制器處理，得到電壓控制信號；電壓控制信號與輸入整流后的電壓值相乘，得到電流的基準信號，此基準信號中不僅包含了調節(jié)輸出電壓的信號成分，而且也包含電流所要跟隨的正弦信號成分；輸入電流與基準信號比較后輸入電流控制器，得到一個輸出為電壓占空比的信號，此信號通過PWM發(fā)生器驅動開關管通斷。

圖3-2 PFC數(shù)字控制原理框圖

2.需要的開發(fā)平臺

提高高頻電源的功率因數(shù)

這也是PFC的目的所在。PFC的首要任務：利用校正電路將沿正弦波曲線的上升和下降的不同輸入電壓轉換成穩(wěn)定的，比輸入正弦電壓幅值稍高的直流輸出電壓。第二個任務：檢測輸入電網(wǎng)的電流并使它變?yōu)榕c輸入電網(wǎng)的電壓同相位的正弦波。

人機界面監(jiān)控以及本地調試和遠程控制

通過人機界面，設定各種控制參數(shù)就可以對高頻開關電源進行FPC的實際監(jiān)控和測試。在進行測試時，由于電源是在現(xiàn)場（本地），而監(jiān)控測試可能在遠地，這時本地和遠地的通訊就尤為重要，所以要進行通訊的設計。

需要的器件

A/D、D/A能采樣1MHz的中頻信號，精度8-10位以上；DSP功能強勁；支持MicroBlaze和PowerPC；SRAM等。

所需要的目標FPGA開發(fā)平臺，簡述為什么需要此平臺

設計之初選擇使用Altera DE2開發(fā)平臺，擴展板AD、DA自行研發(fā)，驗證簡單的數(shù)據(jù)采集和通信的功能。最終將選擇Xilinx Virtex II Pro開發(fā)平臺。理由：設計之初選擇Altera DE2板的目的是證明本參賽組對基于FPGA的數(shù)字電路設計及其應用上具有參賽實力。但由于其平臺不具有商業(yè)化的操作，最終選擇Xilinx Virtex-II Pro開發(fā)平臺是因為項目屬于計算機架構，嵌入式系統(tǒng)，實時操作系統(tǒng)，網(wǎng)絡方面的應用， 唯Virtex-II Pro XC2VP30能夠滿足該設計要求。

是否需要其它配套的開發(fā)工具

需要配套的調試和下載工具

2.方案實施過程中需要開發(fā)的模塊

電流環(huán)控制算法

為了達到功率因數(shù)校正的目的，使輸入電流跟蹤輸入電壓。就必須進行電流環(huán)的設計。如圖3-3所示。

輸入電流經(jīng)過ADC采樣后，將數(shù)據(jù)送入加法器和除法器中，得到平均電流。電壓環(huán)的輸出信號與輸入的采樣電壓相乘后得到參考電流。比較器經(jīng)過比較兩個電流的大小。輸出方波信號控制開關的導通與關斷，當平均電流等于參考電流時，開關管關斷，然后在下一個開關周期開始的時候在讓開關管導通，繼續(xù)采樣電壓和電流。

圖3-3 電流環(huán)控制框圖

電壓環(huán)控制算法

電壓環(huán)的控制部分采用PI控制算法。由于此算法有許多明顯的優(yōu)點，如系統(tǒng)穩(wěn)定，控制方便，算法易于設計等等。

圖3-4 電壓環(huán)控制框圖

3.系統(tǒng)最終要達到的性能指標

PF至少達到95%以上。

能實現(xiàn)本地和遠程控制。

需要的其它資源

1.設計輸入輸出功能子板

完成數(shù)據(jù)采集與反饋控制的AD、DA擴展板，自行研制，07年11月以前驗收。

2.測試設備

直流穩(wěn)壓電源、萬用表、示波器、頻譜儀、矢量信號分析儀等。

3.方針、開發(fā)工具

MATLAB、EDK、ModelSim、Xilinx ISE等，其他的開發(fā)工具自行解決。