数字控制真的会取代模拟控制，而成为PFC中的主流控制方式吗？

　　1.引言
　　由近年来，随着电子威廉希尔官方网站 的发展，各种办公自动化设备，家用电器，计算机被大量使用。这些设备的内部都需要一个将市电转化为直流的电源部分。在这个转换过程中，由于一些非线形元件的存在，导致输入电流电压虽然是正弦的，但输入的交流电流却严重畸变，包含大量谐波。而谐波的存在，不但降低了输入电路的功率因数，而且对公共电力系统产生污染，造成严重的电路故障。正因为如此许多国家制定了相应的威廉希尔官方网站 标准，用以限制谐波电流的含量。例如IEC 555-2﹑IEC 61000-3-2﹑EN 60555-2﹑GB/T 4549-1993等标准，规定了允许用电电气设备产生的最大谐波电流。由此可见，由此可见消除谐波电流和提高功率因数有非常重要的意义。在整流输出电路后采用有源功率因数校正威廉希尔官方网站 能够有效地解决上述问题，实现各种电源装置网侧电流正弦化，使功率因数接近1，并且极大地减少谐波电流，消除无功损耗。然而在有源功率因数校正中控制方式又分为模拟和数字控制方式，控制方式的选取对减少电流谐波和提高功率因数有重大影响。因此本文重点介绍模拟控制器和数字控制器在Boost单相功率因数校正变换电路中的应用，并论证了数字控制方式将逐步取代模拟控制方式，在不远的将来成为PFC中的主流控制方式。
　　2.有源PFC的工作模式和控制方式
　　根据电感电流是否连续，PFC电路的工作模式可分为不连续导电模式（DCM）和连续导电模式（CCM）。DCM模式的PFC电路一般用于电压控制型而且功率小于200W，CCM模式的控制方法比较复杂，一般用于电流控制型并且功率大于200W以上的PFC电路。有源PFC电路的电流控制型控制方式分为峰值电流控制，滞环电流控制和平均电流控制，本论文中选用的控制方法是平均电流控制法。
　　3.功率因数校正的必要性
　　一般开关电源的输入整流电路部分为图1所示：
　　
　　图1 整流电路图
　　例如在离线式开关电源的输入端，AC电源经全波整流后，一般接一个大电容器，以得到波形较为平直的直流电压。整流器-电容滤波电路是一种非线形元件和储能元件的组合。因此输入交流了电压虽然是正弦的，但输入交流电流波形却严重畸变，呈脉冲状，其结果可以由如图１所示整流电路在Matlab的Simulink中仿真结果得到验证。从图2可以看出，输入电流
　　
　　图2 整流电路输入点压电流仿真图
　　发生了严重畸变。因此，大量应用整流电路，要求电网供给严重畸变的非正弦电流，造成的严重后果是：谐波电流对电网有危害作用，输入端功率因数下降。为了消除电流谐波和提高功率因数，必须在电路整流后加入功率因数校正电路。应用最广泛的是单相Boost有源功率因数校正变换电路，如图３所示。
　　
　　图3 单相Boost功率因数校正原理图
　　在上述单相Boost功率因数校正电路中，最关键的部分是控制系统的设计，控制方式的选取又是控制系统设计的核心。控制电路可以一般选用模拟控制器和数字控制器，下面将详细的分析模拟控制器和数字控制器在单相Boost功率因数校正电路中应用。
　　4.模拟控制PFC的实现
　　4.1 模拟控制的PFC模型
　　单相Boost功率因数校正电路中的模拟控制方法应用比较广泛，目前已经有现成的商业化集成电路芯片，如TI/Unitrode公司的 UC3854，Fairchild公司的ML4812以及Stmicroelectronics公司的L6561等，图4是基于UC3854的模拟控制电路结构方框图。图中Boost变换器工作在连续导电模式下，其电感电流就是输入电流。电感电流被采样并被控制，其幅值与输入电压同相位的正弦参考信号成正比，从而达到功率因数校正的目的；乘法器方式PFC电路还可以根据输出电压反馈信号，利用一个乘法器电路来控制正弦参考电流信号，从而获得可调整的输出电压；同时，也具有输出电压的平均值。实际上模拟控制器可以概括为两个控制环，内环电流环，作用是使输入电流跟踪输入电压，外环电压环，作用是稳定输出电压。
　　
　　图4 Boost PFC模拟控制原理图
　　4.2 模拟控制PFC的设计
　　基于UC3854的模拟PFC如图4所示：电路的显著特点是引入储能电感L和乘法器M。储能电感L与高频开关S的配合起到电流分配器的作用，当开关管S导通时，二极管D截止，电流流过电感L；当开关管S断开时，二极管D导通，L将储存的能量为负载供电。在二极管D截止期间，负载电流靠输出电容Co来维持。如果按照交流线电压的正弦波形变化规律来控制开关管S的导通和截止，有可能使通过储能电感L的电流波形正弦化。这里电流乘法器M起着很关键的作用，乘法器M实际上是一个工作频率正比于正弦线电压频率的电流源，该电流源充当PWM比较器的参考信号iref 与电路回路电流信号if进行比较，并将其误差转换成驱动高频开关管S的一系列脉冲控制信号。由于参考信号iref完全跟踪交流市电输入正弦波电压的全波整流输出的正弦信号，这一系列控制脉冲信号的占空比也是严格按正弦分布。控制过程是一个深度电流负反馈过程，从而实现交流市电输入电流波形包括的正弦化。另外，电流乘法器M的输出电流iref还反比于Boost PFC电路的输出电压Vo或正比于输出电压比较器的输出电压Ve，这意味着Vo也在左右PWM比较器的电流参考信号iref，使Boost PFC电路的输出电压Vo稳定不变。因此乘法器M起双重作用，强制输入电流信号的正弦化和稳定输出电压Vo。据图4和UC3854的功能可在Matlab 的Simulink中设计模拟仿真模型图。
　　
　　图5 Boost PFC模拟控制器输入电压电流仿真
　　
　　图6 数字控制的PFC原理图
　　4.3 仿真结果及分析
　　仿真参数：输入电压交流VAC=220V；升压电感L=1mh；输出电容Co=1410；fk=50Khz；Ro=50 。图5所示的是模拟PFC仿真结果：从图中我们可以看出，模拟控制PFC使输入电流较好地跟随了输入电压，并且降低了谐波电流，达到了功率因数校正的目的。由此可知单相Boost PFC电路的模拟控制方法优点是简单直接，设计方便；缺点是控制电路所用的元器件比较多，调试麻烦，电路维护成本高和不易升级；另外电路适应性较差，容易受到噪声干扰和环境的影响。
　　5.数字控制PFC的实现
　　5.1 数字控制的PFC模型
　　如图6所示是基于 DSP（TMS320LF2407）的数字控制PFC模型，同图4模拟Boost PFC的相比较，原理是一样的，区别就是用两个数字的比例积分控制器（PI）Ki﹑Ku代替了原来的两个误差放大器。另外，在电压PI的输出端加了一个陷波滤波器，滤波频率为100HZ。与模拟滤波器相比，数字滤波器可以很好的减少100HZ的谐波成分，同时引入相位影响要小很多。这样，就可以提高电压回路的带宽，继而提高电路的反映速度。在图6中，三个采样信号被采样，分别是输出电压Vi，输入电流Ii和输出电压Vo。其中值得注意的一点是，我们可以编程实现总是在开关闭合的中间时间对is采样，从而不需要另加低通滤波器就可以is的平均值。
　　5.2 数字控制PFC设计。
　　接下来，我们分别建立PI控制器和陷波器的数字模型。PI控制算法的模拟表达式为：
　　（1）
　　对（1）进行离散化处理得到：
　　（2）
　　式中： 为比例系数； 为积分系数；
　　T为采样周期； 为积分时间常数。
　　PI系数的确定通常通过实验确定，或通过凑试，或者通过经验公司来确定。
　　陷波滤波器的设计可根据公式（3）确定
　　（3）
　　式中： 是滤波频率的角速度；Q值按不同的要求确定。离散化可以由Matlab的sysd=c2d（sys，Ts）方程方便的实现。
　　5.3 DSP控制的实现
　　这里采用TI公司的16位TMS320LF2407来实施控制方案。对电流回路和电压回路分别采用20kHz和10kHz的控制频率。两个中断程序INT2和INT3用来完成PFC的数字控制，其中断程序 INT2负责3个输入的采样以及电流回路的PI控制，中断程序INT3负责电压回路的PI控制以及陷波滤波。图10是主程序控制流程图，其中INT2的中断优先级高于INT3，所以当INT3没有完成而INT2中断发生时，INT3将悬挂，直到INT2中断程序运行结束后才能继续运行。
　　
　　图7　主程序流程图
　　5.4 仿真结果及分析
　　根据图6和TMS320LF2407的特性在Matlab的Simulink中进行仿真得到仿真图如图8所示，由图可知，DSP数字控制PFC使输入电流很好地跟随输入电压，而且完全消除了高次谐波电流，实现了功率因数校正的目的。从这里可以看出单相Boost PFC电路的数字控制的优点是元器件少，便于系统调试和维护；另外DSP内部的数字处理不会受到电路噪声的影响，避免模拟信号传递的畸变﹑失真，因此控制可靠；还有因为软件中包含复杂的控制系统因而显著的减少了电路的尺寸。缺点是在整流器件方面采用数字控制研究开展的还不多，成熟的控制算法难以获得，此外数字控制芯片如DSP的价格相对较高等等。
　　
　　图8 Boost PFC数字控制器输入电压电流仿真图
　　6.结论
　　从上面的分析可以知道，模拟控制器和数字控制器在单相Boost功率因数校正电路中都可以提高功率因数，消除高次谐波电流和降低总谐波畸变因数（THD），完全的实现了功率因数校正的目的，但是数字控制器在相比于模拟控制器，在功率因数校正的效果上更优，且能减少元器件数量和显著的降低电路的体积；便于电路的维护和升级，且不易受环境的影响。虽然用于数字控制电路中的DSP价格还比较高，但是随着时代的进步，DSP价格的进一步降低和控制算法的成熟，相信在不远的将来，数字控制器一定会取代模拟控制器广泛的应用于PFC电路中。