基于DSP的数字控制逐渐和电力电子应用紧密结合,功率因数校正是电力电子技术的一个重要应用,利用Motorola新型号MC56F8323的高性能特性,完成了基于DSP的功率因数校正应用模块研究,给出了详细的系统设计和控制参数。最后用一台500W实验样机验证了数字控制所带来的优良的系统性能。

关键词：功率因数校正;数字信号处理;PI控制

0 引言

电力电子变换技术是随着电力半导体器件的发展而发展的。随着计算机和信息技术的飞速发展,数字信号处理技术应运而生,并得到了迅速的发展。数字控制由于其控制理沦与实施手段的不断完善,且阅为其具有高度集成化的控制电路、精确的控制精度、以及稳定的工作性能,如今已成为功率电子学的一个重要研究方向,而且数字控制也是最终实现电源模块化、集成化、数字化、绿色化的有效手段。

功率因数校正作为电力电子功率变换的一种典型应用,具有广泛的工程应用价值,本文研究的内容是在Moturola的MC56F8323所构成的数字控制硬件基础上,对数字化控制的功率因数校正应用模块进行了研究,将数字化控制应用到高频开关的功率因数校正领域。

l 单相功率因数校正技术

功率因数PF(Power Factor)的定义是交流输入有功功率P与输入视在功率S之比,其表达式为

式中：Vrms是电网电压的有效值;

Irms是电网电流的有效值;

V1rms是电网基波电压有效值,在以下的讨论中,都认为电网电压是理想的正弦波,即Vrms=V1rms。

I1rms是电网基波电流有效值;cosΦ是基波电压电流的相移因数(displacement factor)：

γ=I1rms/Irms是电网电流的失真因数(distonlon factor)。

因此,功率因数PF又可以定义为电流失真因数和相移因数的乘积。

单管Boost型PFC电路是现在实际工程应用中最为广泛的一种有源功率因数校正电路,其电路工作框图如图1所示。主电路由不可控整流电路、电感、开关管和滤波电容组成。其输入侧有储能电感L,可以减小输入电流纹波,防止电网对主电路高频瞬态冲击,且可减少对输入滤波器的要求,对整流器呈现电流源负载特性;其输出侧有滤波电容,可以减小输出电压的纹波,对负载呈现电压源特性。

从前面的分析可知,PFC电路主要完成两方面任务：

1)控制电感电流,尽量使输入电流接近正弦,保证其γ接近于1,并使输入电流基波跟随输入电压相位;

2)控制输出电压,使输出电压保持恒定。

因此需要两个控制环进行控制,电压环是外环,采样输出电压,保持输出电压恒定;电流环是内环,采样电感电流,迫使电感电流跟踪电流给定,减小输入电流谐波。

2 基于数字控制功率因数校正模块的系统框架

数字化使得电力电子变换控制更为灵活,在CPU计算速度允许的情况下,可以实现模拟控制难以做到的复杂控制算法,用户可以根据自己的系统需求,方便地更改控制器参数,即便是在控制对象改变的情况下,也不需要对控制器硬件做修改,只要改变某些软件参数即可,从而大大增强了系统的硬件兼容性。另一方向,数字电路不易受到外界环境的干扰,增强了系统的可靠性。

但是,数字控制所采用的CPU计算速度决定厂数字控制系统的适用场合,现在数字控制多被用于计算速度要求不太苛刻的场合,例如,UPS和逆变器控制等,计算频率一般小于20 kHz。控制频率大于100 kHz的高频功率变换现在主要还是采用模拟器件控制,这主要是受到CPU计算速度的限制。本文采用Motorola公司的新型DSP芯片MC56F8323,将数字控制引入到高频有源功率因数校正的控制之中,完成了基于数字控制的功率因数校正模块应用,并取得厂良好的控制效果。

基于MC56F823的PUC模块系统框图如图2所示,主电路采用传统的单管Boost的功率拓朴结构,由主功率管S,升压二极管D,储能电感L以及输出电容C组成,输入侧还包括输入EMI滤波,输入继电器以及二极管全波整流电路。全波整流电压Vrect,输入电流Iin,和输出直流母线电压Vbus三个模拟变量送至DSP模数转换。本文的数字调节器均采用PI算法。从图2中可以看出,数字PFC采用双环控制,外环电压环速度较慢,输出的直流母线电压经采样与输出电压的给定值相比较,经电压环PI调节器G1,输出表示为a。

G1的传递函数为