功率因數校正（PFC）的數字控制方法

摘要：控制技術的數字化是開關電源的發展趨勢。相對于傳統的模擬控制技術，采用數字控制技術的功率因數校正（PFC）具有顯著的優點。詳細討論了采用數字信號處理器（DSP）作為控制核心時的設計事項和方法，最后提出了數字控制技術有待解決的問題。

關鍵詞：數字控制；數字信號處理器；功率因數校正；開關電源

0 引言

電力電子產品的廣泛使用，對電網造成了嚴重的諧波污染。這使得功率因數校正（PFC）技術成為電力電子研究的一個熱點。功率因數校正的目的，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，功率因數接近為1。傳統上，模擬控制在開關電源應用中占據了主導地位[1]。隨著高速度，廉價的數字信號處理器（DSP）的出現，在開關電源中使用數字控制已成為發展的趨勢[2][3][4][5][6]。

本文對實現PFC的模擬控制方法和數字控制方法進行了比較，介紹了采用數字控制的獨特優點。詳細討論了采用數字信號處理器作為控制核心時的設計事項和方法。

1 PFC模擬控制和數字控制的比較

功率因數校正的模擬控制方法已經使用了多年，也有現成的商業化集成電路芯片（比如TI/Unitrode的UC3854，Fairchild的ML4812，ST microelectronics的L6561等）。圖1(a)是基于UC3854的模擬控制電路結構方框圖。電路采用平均電流控制方式，通過調節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，這個電流參考信號就具有輸入電壓的波形，同時，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，電路適應性差，容易受到噪聲的干擾，而且調試麻煩。因此，模擬控制有被數字控制取代的趨勢。

圖1(b)是PFC的數字控制原理框圖。類似于模擬方法，使用了兩個控制環路：電壓環和電流環。電壓環通過調節平均輸入電流來控制直流總線電壓，電流環控制交流輸入電流使之跟蹤輸入電壓。控制過程由DSP完成，通過DSP的軟件來實現電流和電壓的調節。

(a) 模擬控制

（b） 數字控制

圖1 PFC電路的原理框圖

數字控制方法具有以下幾個優點：

1）通過軟件調整控制參數，比如，增益和帶寬，從而使系統調試很方便；

2）大量控制設計通過DSP來實現，而用模擬控制器是難以實現的；

3）在實際電路中，使用數字控制可以減少元器件的數量，從而減少材料和裝配的成本；

4）DSP內部的數字處理不會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）如果將網絡通信和電源軟件調試技術相結合，可實現遙感、遙測、遙調。

現在，數字控制PFC方法已經在深入研究。文獻[7]提出了一個基于模擬儀器公司ADMC401的數字控制PFC方案，如圖2所示。為了實現數字控制，模擬控制變量〔包括輸入電流i_L（t），輸入電壓v_in（t）和輸出電壓v_o（t）〕必須轉換成數字量。將模擬控制變量除以他們相應的參考值（，和），得到相對值,再由ADC變換器將獲得的相對值轉換成數字量。其中i_L,n，v_in,n，v_o,n分別表示相應的第n個采樣值。

圖2 數字控制BoostPFC變換器