數字升壓型功率因數校正轉換器的分析與設計

摘要:本文以升壓型轉換器為AC-DC功率因數校正整流器的基本結構，控制核心采用DsPIC30F4011數字信號處理器，利用主動式功率因數校正技術的平均電流控制法，提高功率因數，減少輸入電流諧波。為避免高功率因數轉換器電壓回路系統的帶寬限制，額外加入負載電流以改善負載變動時輸出電壓的暫態響應。詳細分析轉換器、系統建模及控制器設計，開發一個450W的數字升壓型功率因數校正轉換器，通過試驗驗證轉換器的高功率因數性能及輸入電壓幅值變動和負載變動時，輸出電壓的穩壓性能。

　　傳統AC/DC整流器因橋式整流器和濾波電容在整流過程中產生脈沖電流，造成低功率因數及電流諧波，需要對功率因數進行校正。理想的AC/DC轉換器應具有兩種特性：從電網端看須具備高功率因數的特性，從負載端看要有穩壓性能。主動功率因數校正電路在運行校正電路連續導通模式(CCM)下，電路不具備功率因數校正的能力，需控制輸入電流，使輸入電流隨輸入電壓波形及相位變化來提高功率因數^[1-3]。利用平均電流控制的功率因數校正轉換器對負載變動及輸出電壓的暫態響應較為遲緩，且需要復雜的控制電路及額外的乘/除器，數字電路等。而Figures[4]提出的負載電流法能有效改善輸出電壓暫態響應及穩壓特性^[5-6]。

　　本文以數字信號處理器DsPIC30F4011為基礎，采用平均電流控制法與負載電流注入控制法實現數字控制高功率因數升壓型AC/DC轉換器系統。整個系統包括內回路電流控制、外回路電壓控制及負載電流注入控制，通過該系統能在負載和輸入電壓幅值變動時，提高轉換器的功率因數及輸出電壓的穩壓性能。

1 升壓型轉換器系統

　　以數字信號處理器為基礎的數字控制高功率因數轉換器的系統結構如圖1所示。其中內回路系統電流控制的作用是使輸入電流隨輸入電壓變化，以達到高功率因數性能;外回路電壓控制作用是當輸入電壓幅值及負載變動時，整流器都能具有良好的輸出穩壓性能;負載電流注入控制的作用是將負載電流狀態納入反饋控制電路，以改善輸出電壓的暫態響應特性^[7-8]。

　　以平均電流控制法為基礎的高功率因數升壓型轉換器的系統方框圖如圖2所示，為設計內回路電流控制器及外回路電路電壓控制器，以提高系統功率因數及輸出穩壓性能，首先必須對升壓型轉換器進行分析，并建立受控系統模型，得出相應的數學模型，以此作為控制器設計基礎。

2 高功率因數升壓型轉換器分析與建模

2.1 升壓型轉換器分析

　　高功率因數升壓型轉換器如圖3所示，經過橋式整流的電壓源的全波波型，線電壓半周期為。在穩態分析前，假設：(1)切換周期T_s，開關導通比d;(2)電路運行在連續導通模式;(3)輸出電容足夠大，使輸出電壓為固定值V₀。

　　在穩態下，利用伏秒平衡定理有：

(1)

　　整理可得：

(2)

　　因為o<d(t)<1，輸出電壓V₀恒大于輸入電壓V_g。穩態時，輸入電壓與導通比變化關系如圖4。

2.2 內回路電流控制系統建模

　　內回路電流控制的目的是讓平均輸入電流隨輸入電壓波形變化，以達到高功率因數。通過對比感測電壓V_idg與參考電壓V_iigref，得到誤差信號e_i，如圖2所示。在經過電流控制器C_I(S)和脈沖寬度調制器產生導通比d的驅動信號，控制開關的開和關，使平均輸入電流隨輸入電壓變化^[9-10]。

　　為設計電流控制器，需建立控制系統的數學模型。本文利用狀態空間平均法對升壓型轉換器作交流小信號分析，推導出控制系統的輸出函數，作為C_I(S)的設計基礎。小信號分析可分為以下步驟：

　　1. 電路狀態方程：升壓型轉換器如圖3，若開關S打開，則二極管關閉，方程為：

(3)

(4)

　　若開關S關閉，則二極管打開，方程為：

(5)

(6)

　　2. 線性化：對電感電流i_L，輸入電壓V_g，電容電壓V_c0，導通比d，忽略直流項及交流乘積項，可得線性方程式：

　(7)

(8)

　　3. 傳遞函數：求出輸出信號對控制信號導通比的傳遞函數為：

(9)

2.3 外回路電壓控制系統建模