基于APFC的超聲發生器功率調節數字控制策略

引言

　　由于各種原因的影響，電網中存在著電流諧波，由于電網阻抗的存在，諧波電流流過電網阻抗，會使負載端電壓波形也出現畸變。此時系統的功率因數小于1，這樣會給電網帶來“污染”，同時也會影響超聲發生器的輸出電壓和系統的正常工作。因此需要設計特殊電路來對諧波進行抑制，PFC電路就是其中之一。PFC輸出的電壓一般是恒定的，但是在有些場合些要對輸出電壓進行調節，；利用調節輸出電壓來控制輸出功率等等。因此對PFC輸出電壓的控制策略的研究具有一定的實際意義。

　　單相PFC技術

　　PFC（Power Factor Correction）就是對電流脈沖的高度進行抑制，使電流波形盡量接近正弦波。單相PFC根據采用的具體方法不同可以分為無源功率因數校正和有源功率因數校正兩種。

　　
圖1單相無源功率因數校正電路

　　
圖2單相APFC電路及主要波形

　　APFC電路電壓控制方案

　　APFC電路利用電阻分壓組成的恒定電壓反饋網絡可以控制輸出恒定的電壓。根據這一原理，本文巧妙地利用APFC電壓反饋網絡來進行電壓控制，即通過改變電阻分壓網絡的電阻R2來調節輸出電壓。R2發生變化使得

電壓反饋信號隨之變化，電壓比較器與電壓給定進行比較，比較輸出的誤差控制PWM發生裝置，從而調解驅動信號的脈寬，使得輸出電壓在一定范圍內進行線形的調節。通過這種方式就可以根據實際要求調節逆變器的輸入電壓。應用在功率控制的場合時，當負載增大的時候，輸出電流瞬時減小，功率隨之減小，此時調節R2使電壓上升，那么輸出電流也隨之上升，直至電壓與電流乘積（即輸出功率）與給定的參考一致，從而實現了輸出功率的調節。

　　但是如果單一的調節R2會造成危險隱患，例如若R2短路，R1就直接接地，輸出電壓會一直上升；若R2斷路，電壓反饋被拉高到母線電壓，可能會造成無輸出。因此要設計的電壓反饋網絡必須防止出現上訴狀況，本文設計的電壓反饋網絡中，R3與R2串聯防止R2短路，R4與R2、R3并聯防止短路狀態的發生。圖3為初步設計的電壓調節反饋網絡。

　　
圖3 電壓反饋網絡

　　在初步設計中R2是一個可調節的電位器，是需要人工手動調節，但是這種方法不僅精確度不夠，而且操作麻煩，自動化程度低。因此本文在設計中采用單片機控制數字電位器代替的機械式電位器R2的策略來進行自動調節。

　　本文采用的是非易失性數字電位器，它是一種可在計算機控制下，通過編程來實現自動操作的智能化器件。它不像機械或模擬電位器那樣可以連續調節，但階梯式的阻值變化卻具有調節精度高和阻值穩定的特點。其阻值分辨的臺階越多，阻值變化越精細，調整的靈敏度越高[2][3]。本文采用的數字電位器是Xicor公司生產的100節非易失性數字電位器X9312。X9312的原理圖如圖4所示[3]。

　　
圖4 X9312原理圖

　　APFC自動調壓電路理論設計

　　圖5是本文設計的利用數字電位器實現電壓自適應控制的原理圖。圖中檢測信號就是電壓反饋信號，其輸出經過A/D轉換后作為控制信號，并由單片機根據控制關系和特性給出調整信號和計數脈沖，使數字電位器改變阻值而作用于電平控制電路（即APFC電路），以達到調節輸出電壓的要求。

　　
圖5電壓控制原理圖

　　采用單片機控制的軟件流程如圖6所示。圖中A1為 ，A2為 ，A3為 ，A4為封鎖信號。A1、A2、A3控制數字電位器X9312，A4是防止輸出過大控制失效的封鎖信號。由A4控制輸入的保護電路，在輸出失控時，封鎖輸入，保護整個電路的安全。

　　
圖6 單片機軟件控制流程圖

　　根據上訴的電壓調節原理，最終確定實際應用單片機控制數字電位器實現APFC輸出電壓自適應控制的電路如圖7所示。

　　
圖7電壓控制電路

　　結論

　　利用APFC電路實現輸出電壓的調節，既提高了整個電路的功率因數，又能實現對輸出電壓的控制。在此基礎上應用單片機控制數字電位器來調節電壓，實現了數字化控制，精度高、安全性好、自適應效果良好。這種控制策略可以應用在對逆變電路母線電壓控制以及對輸出功率控制系統中。