數字控制PFC電路的模型與環路設計分析

摘要：本文介紹了以 BOOST 為主拓撲的 PFC 電路的小信號模型建立，討論并給出了在數字控制下電流環與電壓環補償環路的設計方法，采用 TI 公司的 TMS320LF2407A 控制芯片，對控制方案進行了驗證。

1.引言

在電力電子電路中，非線性開關電源的應用使得諧波電流對電網造成了污染和危害。為提高電網功率因數， 功率因數校正技術得到迅速發展和廣泛的應用。近年來，隨著數字信號處理技術的飛速發展，以 DSP為核心數字信號處理芯片開始廣泛的應用于開關電源中。數字控制較之模擬控制有很多優點，比如控制減少成本，適應性好，開放周期短等，數字控制將是功率因數校正領域今后的發展方向。

2.PFC 電路模型建立

目前應用最廣泛的電路是如圖 1 所示以 Boost 為主拓撲的 PFC， Boost 電路具有電感電流連續、 可抑制EMI 噪聲，電流波形失真小，在整個輸入電壓范圍內能保持較高的功率因數。 PFC 電路通常采用雙環控制，電流環是內環， 控制輸入電流波形跟隨輸入電壓波形;電壓環是外環，調節輸出電壓保持穩定。

建立小信號數學模型，分析變換器的低頻動態特性可以為我們更好的了解電路本質，為環路設計提供依據。就小信號而言，在靜態工作點附近用線性關系近似代替變量間的非線性關系，使得各小信號分量之間用線性方程來描述，實現了非線性系統的線性化。

2.2 電流內環模型

電流環是 PFC 雙環控制的核心，它控制輸入電流跟蹤輸入電壓波形，并與輸入電壓成比例。圖 3 為電流環的框圖

2.3 電壓外環模型

電壓環是 PFC 控制的外環，其作用是穩定輸出電壓并保持輸出電壓高于輸入電壓峰值的電壓上。圖 5為電壓環控制框圖

為使 PFC 電路有較好的穩定性和穩態性能，必須對電流環和電壓環進行反饋補償, 通過適當的補償網絡，合理配置零極點, 改善電路特性。在數字控制中，PI 補償器因其在數字實現上較為簡單，且有成熟的工業自動控制應用背景，在數字控制 PFC 電路中被廣泛采用。

3.1 數字補償器的模擬設計方法

數字補償器最簡單的設計方法是把模擬設計的 PI直接轉換為數字控制，但在 s 域中零階保持器和采樣器設計比較難，因此常常忽略控制回路中所有的零階保持器和采樣器，然后在 s 域內按照連續控制系統進行設計，最終將模擬補償器轉換為數字補償器。