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功率因數(shù)校正(PFC)的數(shù)字控制方法
摘要:控制技術(shù)的數(shù)字化是開關(guān)電源的發(fā)展趨勢。相對于傳統(tǒng)的模擬控制技術(shù),采用數(shù)字控制技術(shù)的功率因數(shù)校正(PFC)具有顯著的優(yōu)點(diǎn)。詳細(xì)討論了采用數(shù)字信號處理器(DSP)作為控制核心時(shí)的設(shè)計(jì)事項(xiàng)和方法,最后提出了數(shù)字控制技術(shù)有待解決的問題。關(guān)鍵詞:數(shù)字控制;數(shù)字信號處理器;功率因數(shù)校正;開關(guān)電源
引言
電力電子產(chǎn)品的廣泛使用,對電網(wǎng)造成了嚴(yán)重的諧波污染。這使得功率因數(shù)校正(PFC)技術(shù)成為電力電子研究的一個(gè)熱點(diǎn)。功率因數(shù)校正的目的,就是采用一定的控制方法,使電源的輸入電流跟蹤輸入電壓,功率因數(shù)接近為1。傳統(tǒng)上,模擬控制在開關(guān)電源應(yīng)用中占據(jù)了主導(dǎo)地位[1]。隨著高速度,廉價(jià)的數(shù)字信號處理器(DSP)的出現(xiàn),在開關(guān)電源中使用數(shù)字控制已成為發(fā)展的趨勢[2][3][4][5][6]。
本文對實(shí)現(xiàn)PFC的模擬控制方法和數(shù)字控制方法進(jìn)行了比較,介紹了采用數(shù)字控制的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。詳細(xì)討論了采用數(shù)字信號處理器作為控制核心時(shí)的設(shè)計(jì)事項(xiàng)和方法。
1 PFC模擬控制和數(shù)字控制的比較
功率因數(shù)校正的模擬控制方法已經(jīng)使用了多年,也有現(xiàn)成的商業(yè)化集成電路芯片(比如TI/Unitrode的UC3854,F(xiàn)airchild的ML4812,STmicroelectronics的L6561等)。圖1(a)是基于UC3854的模擬控制電路結(jié)構(gòu)方框圖。電路采用平均電流控制方式,通過調(diào)節(jié)電流信號的平均幅度來控制輸出電壓。整流線電壓和電壓誤差放大器的輸出相乘,建立了電流參考信號,這樣,這個(gè)電流參考信號就具有輸入電壓的波形,同時(shí),也具有輸出電壓的平均幅值。PFC的模擬控制方法簡單直接。但是,控制電路的元器件比較多,電路適應(yīng)性差,容易受到噪聲的干擾,而且調(diào)試麻煩。因此,模擬控制有被數(shù)字控制取代的趨勢。
圖1(b)是PFC的數(shù)字控制原理框圖。類似于模擬方法,使用了兩個(gè)控制環(huán)路:電壓環(huán)和電流環(huán)。電壓環(huán)通過調(diào)節(jié)平均輸入電流來控制直流總線電壓,電流環(huán)控制交流輸入電流使之跟蹤輸入電壓?刂七^程由DSP完成,通過DSP的軟件來實(shí)現(xiàn)電流和電壓的調(diào)節(jié)。
數(shù)字控制方法具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn):
1)通過軟件調(diào)整控制參數(shù),比如,增益和帶寬,從而使系統(tǒng)調(diào)試很方便;
2)大量控制設(shè)計(jì)通過DSP來實(shí)現(xiàn),而用模擬控制器是難以實(shí)現(xiàn)的;
3)在實(shí)際電路中,使用數(shù)字控制可以減少元器件的數(shù)量,從而減少材料和裝配的成本;
4)DSP內(nèi)部的數(shù)字處理不會(huì)受到電路噪聲的影響,避免了模擬信號傳遞過程中的畸變、失真,從而控制可靠;
5)如果將網(wǎng)絡(luò)通信和電源軟件調(diào)試技術(shù)相結(jié)合,可實(shí)現(xiàn)遙感、遙測、遙調(diào)。
現(xiàn)在,數(shù)字控制PFC方法已經(jīng)在深入研究。文獻(xiàn)[7]提出了一個(gè)基于模擬儀器公司ADMC401的數(shù)字控制PFC方案,如圖2所示。為了實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制,模擬控制變量〔包括輸入電流iL(t),輸入電壓vin(t)和輸出電壓vo(t)〕必須轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。將模擬控制變量除以他們相應(yīng)的參考值(,和),得到相對值,再由ADC變換器將獲得的相對值轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。其中iL,n,vin,n
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