基于MC56F8323的单相功率因数校正模块的应用

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

　　式中：Kpv为电压环比例系数；kiv为电压环积分系数。

　　a要与另外两个量b和c相乘，作为内环电流环的给定Iref，即

　　即输入全波整流电压Vrect平均值平方的倒数，c即为输入全波整

流电压，这样，电压环PI调节器的输出a决定了电流环给定的幅值，输入全波整流电压的采样值c决定了电流环给定的形状，前馈电压控制的引入b保证了输入功率恒定，不受输入电网电压变化的影响。内环电流环的速度较快，将输入电流采样值与电流环给定相比较，经电流环的PI调节器G2产生变化的占空比参数，最后通过PWMO给出主功率开关管控制波形。

　　G2的传递函数为

　　式中：Kpi为电流环比例系数；Kii为电流环积分系数。

在进行MATLAB仿真后，可以得到电压环、电流环的各个控制系数，在仿真初值的基础上，进行大量的实验调试，最后各个控