基于MC56F8323的單相功率因數校正模塊的應用

基于DSP的數字控制逐漸和電力電子應用緊密結合,功率因數校正是電力電子技術的一個重要應用,利用Motorola新型號MC56F8323的高性能特性,完成了基于DSP的功率因數校正應用模塊研究,給出了詳細的系統設計和控制參數。最后用一臺500W實驗樣機驗證了數字控制所帶來的優良的系統性能。
關鍵詞：功率因數校正;數字信號處理;PI控制

0 引言
電力電子變換技術是隨著電力半導體器件的發展而發展的。隨著計算機和信息技術的飛速發展,數字信號處理技術應運而生,并得到了迅速的發展。數字控制由于其控制理淪與實施手段的不斷完善,且閱為其具有高度集成化的控制電路、精確的控制精度、以及穩定的工作性能,如今已成為功率電子學的一個重要研究方向,而且數字控制也是最終實現電源模塊化、集成化、數字化、綠色化的有效手段。
功率因數校正作為電力電子功率變換的一種典型應用,具有廣泛的工程應用價值,本文研究的內容是在Moturola的MC56F8323所構成的數字控制硬件基礎上,對數字化控制的功率因數校正應用模塊進行了研究,將數字化控制應用到高頻開關的功率因數校正領域。

l 單相功率因數校正技術
功率因數PF(Power Factor)的定義是交流輸入有功功率P與輸入視在功率S之比,其表達式為

式中：Vrms是電網電壓的有效值;
Irms是電網電流的有效值;
V1rms是電網基波電壓有效值,在以下的討論中,都認為電網電壓是理想的正弦波,即Vrms=V1rms。
I1rms是電網基波電流有效值;cosΦ是基波電壓電流的相移因數(displacement factor)：
γ=I1rms/Irms是電網電流的失真因數(distonlon factor)。
因此,功率因數PF又可以定義為電流失真因數和相移因數的乘積。
單管Boost型PFC電路是現在實際工程應用中最為廣泛的一種有源功率因數校正電路,其電路工作框圖如圖1所示。主電路由不可控整流電路、電感、開關管和濾波電容組成。其輸入側有儲能電感L,可以減小輸入電流紋波,防止電網對主電路高頻瞬態沖擊,且可減少對輸入濾波器的要求,對整流器呈現電流源負載特性;其輸出側有濾波電容,可以減小輸出電壓的紋波,對負載呈現電壓源特性。

從前面的分析可知,PFC電路主要完成兩方面任務：
1)控制電感電流,盡量使輸入電流接近正弦,保證其γ接近于1,并使輸入電流基波跟隨輸入電壓相位;
2)控制輸出電壓,使輸出電壓保持恒定。
因此需要兩個控制環進行控制,電壓環是外環,采樣輸出電壓,保持輸出電壓恒定;電流環是內環,采樣電感電流,迫使電感電流跟蹤電流給定,減小輸入電流諧波。

2 基于數字控制功率因數校正模塊的系統框架
數字化使得電力電子變換控制更為靈活,在CPU計算速度允許的情況下,可以實現模擬控制難以做到的復雜控制算法,用戶可以根據自己的系統需求,方便地更改控制器參數,即便是在控制對象改變的情況下,也不需要對控制器硬件做修改,只要改變某些軟件參數即可,從而大大增強了系統的硬件兼容性。另一方向,數字電路不易受到外界環境的干擾,增強了系統的可靠性。

但是,數字控制所采用的CPU計算速度決定廠數字控制系統的適用場合,現在數字控制多被用于計算速度要求不太苛刻的場合,例如,UPS和逆變器控制等,計算頻率一般小于20 kHz。控制頻率大于100 kHz的高頻功率變換現在主要還是采用模擬器件控制,這主要是受到CPU計算速度的限制。本文采用Motorola公司的新型DSP芯片MC56F8323,將數字控制引入到高頻有源功率因數校正的控制之中,完成了基于數字控制的功率因數校正模塊應用,并取得廠良好的控制效果。
基于MC56F823的PUC模塊系統框圖如圖2所示,主電路采用傳統的單管Boost的功率拓樸結構,由主功率管S,升壓二極管D,儲能電感L以及輸出電容C組成,輸入側還包括輸入EMI濾波,輸入繼電器以及二極管全波整流電路。全波整流電壓Vrect,輸入電流Iin,和輸出直流母線電壓Vbus三個模擬變量送至DSP模數轉換。本文的數字調節器均采用PI算法。從圖2中可以看出,數字PFC
采用雙環控制,外環電壓環速度較慢,輸出的直流母線電壓經采樣與輸出電壓的給定值相比較,經電壓環PI調節器G1,輸出表示為a。
G1的傳遞函數為