用DSP实现功率因数校正

1　引言

　　根据国家《强制性产品认证管理规定》、《强制性产品认证标志管理办法》、《第一批实施强制性产品认证的产品目录》的规定，自2003年5月1日起，列入《目录》内的产品未获得强制性产品认证证书和未加施中国强制性产品认证标志不得出厂销售、进口和在经营性活动中使用。空调器也在《目录》之内。而变频空调要通过中国强制认证（简称“3C”），谐波电流必须满足国家标准GB17625.1-1998《低压电气及电子设备发出的谐波电流限值（设备每相输入电流≤16A）》的规定要求。目前国内的绝大多数变频空调都采用在直流通路中加电感的同时，给其并联电容，这种方法功率因数有所改善，但谐波电流仍不能满足国家标准要求。有源功率因数校正（APFC）技术的采用，能有效地解决这个问题。本文介绍了利用数字信号处理器（DSP）实现APFC的完全数字化控制。

　　众所周知，由于桥式整流电容滤波电路的电源输入端电流不再是呈正弦波形，而呈幅值很高的不连续的尖峰脉冲，因而其基波成份很小，而高次谐波非常丰富，谐波总含量相当可观，电路的功率因数很差。国家正越来越严厉地限制低功率因数设备进入市场。在过去的十几年中，很多公司开发了许多解决APFC问题的专用元器件，这将增加设备的成本。现在，又研制出了低成本的DSP，DSP带有很多功能，象ADC（模数转换器）、PWM（脉宽调制器）、PIO（可编程输入输出口），从而能够完成很多实时控制，并能够替代上述的专用PFC元器件。换言之，整个解决方案利用数字控制，节省元器件，提供更多的灵活性，并能实现非线性和复杂的控制。而且所有这些都不必更改硬件。


2　功率因数

　　线路功率因数定义为有功功率与视在功率之比值，即
　　　　　　　　　PF=P/S=P/Vrms×Irms
其中，P为有功功率（W）　　　S为视在功率（VA）
PF值大小在0与1之间。如果负载是纯阻性负载，则有功功率与视在功率相等，PF等于1；反之，PF小于1。功率因数控制就是想办法使PF等于1。

　　电子设备的输入功率
　　　　　　　　　Pin(t)=∫Vin(t)×Iin(t)×dt
　　假如Vin(t)=Vi×Sin(ωt),且PF=1，则
　　　　　　　　　Iin(t)=Iin×Sin(ωt)
其中 Iin=iL=γio·Vin　(γio是一个比值)，则
　　　　　　　　　Iin(t)=(γio·Vin)·Sin(ωt)


3　DC-DC转换器

　　对于PFC，电路拓扑多种多样。每个DC/DC转换器有两个基本的工作模式：DCM（非连续工作模式）和CCM（连续工作模式）。在非连续工作模式中，电感电流在每个PWM周期将会达到零；而对于连续工作模式，电感电流在每个PWM周期从不达到零。非连续模式转换器适于低功率应用，而连续模式转换器适于中、高功率应用。在我们的PFC应用中，升压转换器采用平均电流模式控制。

　　为了控制PFC，需要一个合适的PFC模型去完成控制算法。这里给出一个简单的工作在连续模式的升压转换器的模型。结果如下：
　　　　　　　　　　　Gid(s)=iL(s)/d(s)≈Vo/(S·L)
　　　　iL(s)为电感电流变化　　 d(s)为变化的占空比
　　　　Vo为输出电压　　　　　　L为电感大小

　　在进入CCM之前，升压转换器工作在DCM阶段，两个阶段的传递功能不一样，但由于增益较低，从而在达到稳定性之前，不会出现什么问题。因此，Gid代表有用的传递功能，去调节电流控制环路。对于电压控制环路，输出电压的反馈补偿网络与反馈电流回路一样重要。现在，对输入正弦波电压的一个完整的半周期做等效的、小信号的解析。假设输入电流被控制，跟踪分压后的输入电压波形，结果如下：
　　　　　　　　　　 Gvo(s)=vo/vc=gc·(ro//Ro)/(1+S·Co·ro//Ro)

　　因此，Gvo(s)代表有用的传递功能，去调节电压控制回路。


4　数字控制

　　数字控制采用两个PI（比例积分）控制器，一个为电流环路控制，一个为电压环路控制。只要有电流环路，它必须有电流参考信号
　　　　　　　　　　　　　Iref(t)=∣γio·Vi·Sin(wt)∣

Iref(t)的电源频率为2ω（100Hz）.

　　为了达到PFC的目的，电流环路控制带宽为1.5KHz～2.5KHz比较合适。这里，有两个问题值得注意。首先，来自电流传感器的值不必低通滤波，因为这样用会造成不可接受的滞后相移，可能导致工作不稳定。其次，在进入CCM之前， 升压转换器工作在DCM模式，两种模式有着不同的传递功能，也就是两个不同的动态。但由于DCM下增益较低，从而没有任何不稳定问题。基于这种思想，一个PI控制器用于电流控制环路已是足够的了，并被建议执行积分部分，因此动态特性提高了。比例增益和积分增益的选择必须保证获得1.5KHz～2.5KHz的带宽。

　　最后，从测得的输入电流和电压波形中，可见电流与电压在相位和大小上保持一致，因此电源负载表现为纯阻性（PF→1），这样满足Iin=iL=γio·Vin.

　　而电流控制环路必须跟踪电流参考波形，得到的电感电流iL必须与Iref尽可能接近。至于电压控制环路，必须保证带宽为10Hz～30Hz。

　　前面描述的控制算法已经在变频空调上得到实现，有关电参数如下：　

　　输入电压Vin=160～260Vrms, 输出电压Vout=385V, 输出最大功率Po=2400W, 升压电感L=0.6 mH ,输出电容Co=1000 uF ,开关频率 f=20KHz.

　　ADMC328是AD公司推出的定点DSP，单周期指令执行时间50ns　。ADMC328有三相16位PWM用于电机控制，两个独立的8位辅助PWM，频率范围39KHz～10MHz,辅助PWM的频率值被专用寄存器设置。在PFC应用中，我们选择开关频率为20KHz，AD转换器采集电流值（SHUNT），采样频率 4.2KHz,8bit精度。这个系统比较特殊的是，在ADC和辅助PWM之间没有关联，换句话说，ADC和辅助PWM工作上是完全独立的。因此，我们可以脱离主程序（象电机控制），单独执行PFC程序。PFC程序被每一个PWMSYNC中断执行。电流值和电压值由AD转换器获得。所有这些信号足以控制整个PFC。而且ADMC328的售价低于3美元。


5　分离件代替模块

　　目前，实现PFC的电路有模块化和分离件两种方案。模块化方案中，把驱动部分和升压二极管及MOSFET（或IGBT）封装在一起，其杂散电感小，开关尖峰电压小，可靠性高，但成本也高，并且由于没有缓冲电路，开关损耗大，EMI也比较大。 考虑到变频家电的低成本化，我们采用分离元件方案，并且采用LC无源元件和快恢复二极管组成的无耗缓冲电路(如图1)。这种LC电路改变了开关管的开关过渡过程，使开关电压、电流的改变不是突变的（即硬开关）而是缓变的（即软开关），从而显著地减小了开关损耗，并提高电路的可靠性。
DSP