功率因数校正的数字控制.pdf

第3 4 卷增刊V 0 1 3 4S u p p l e m e n t a r yI s s u e计算机工程C o m p u t e rE n 画n e e r i n g2 0 0 8 年9 月S e p t e m b e r2 0 0 8电源技术文章缩号tl o o o 一3 4 2 8(2 0 惦J 增刊0 1 5 9 咐文献标识码：A中圈分类号：T P 2 7 3功率因数校正的数字控制李杭军(华东计算技术研究所，上海2 0 0 2 3 3)摘要：数字化控制电源已成为当今开关电源产品设计的潮流。通过分析平均电流型P F C 的数字实现方案，介绍了数字控制系统的软硬件设计。在M a t l a b 仿真验证的基础上，通过T M S 3 2 0 L F 2 4 0 7 A 数字信号处理器实现了开关频率5 0k H z 的单相P F C 的数字控制，输入电压在较宽范围内变化时都能获得满意的控制效果。实验结果表明了该数字控制系统是可行的，实现了高功率因数校正。关健诃：功率因数校正；数字信号处理器；平均电流控制D i g i t a lC o n t r o lo fP o w e rF a c t o rC o r r e c t i o nL IH a n g j u n(E a s tC h i n aI n s t i t u t eo fC o m p u t e rT e c h n o l o g y,S h a n g h a i2 0 0 2 3 3)A b s t r a c t lN o w a d a y si ti sp o p u l a rt ou s ed i g i t a lc o n t r o li np o w e rs u p p l yd e s i g n AP F Cp r o j e c tb a s e do na v e r a g eC n l T e n tc o n t r o li sp n t e d H“d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h ec o n u o ls y s t e ma r ea n ,d y z e d T h es i m u l a t i o nr e s u l t so fM a t l a bc o n f i r mt h a tt h ec i r c u i tp a r a m e t e r sa r ea p p r o p r i a t e Al a b o r a t o r yp r o t o t y p eb a s e do nT M S 3 2 0 L F 2 4 0 7 Ai sp r e s e n t e d T h et e s tr e s u l t sv a l i d a t eag o o dp e r f o r m a n c eo ft h ed i g i t a li m p l e m e n r a t i o nu n d e rt h eA Cl i n ev o l m g ev a r i a t i o n。w i t ht h es w i t c h i n g f r e q u e n c y5 0k H z K e yw o r d s p o w e rf a c t o rc o f f e c d o n；D S P；a v e r a g ec n r i n tc o n t r o l随着数字技术的不断发展，数字控制越来越多地被引入到开关电源的设计之中。相对于模拟控制而言，数字控制具有许多独特的优点，比如可编程性、强适应性、不易受硬件老化和环境变化的影响、增强了抗干扰的能力、可以灵活地实现许多复杂的控制算法等。除此之外，在相同成本的情况下，数字控制能实现更多的功能，例如，在一块D S P 控制的条件下”J，可实现对前级P F C 电路和后级D C D C 或者D C A C电路的同时控制。数字控制的出现对以往的模拟控制提出了挑战。1 平均电流P F C 的D S P 实现方案图1 显示了基于T M S 3 2 0 L F 2 4 0 7 AD S P 控制的单相功率因数校正系统框图。圈1 基于T M S 3 2 0 L F 2 4 0 7 A 控的功事因致校正电路主电路采用B o o s t 型拓扑，输入电流即为电感电流，采用平均电流控制模式1 2 J，最终可以得到接近正弦的输入电流波形。为了实现控制策略，系统需检测以下3 个量：整流输入电压，输入电感电流气，直流输出电压K。瞬时信号，乇，K 通过主电路检测，并经过信号调理电路送至D S P的三路A D 采样通道：A D C I N 0，A D C I N I，A D C I N 2。经过数字化采样后的K 信号与输出参考电压信号匕，比较，信号差送入电压外环的P I 调节器。该环节传递函数G v。的输出与信号K 的采样值相乘，生成电流内环所需的参考电流k。输入电感电流经数字采样后，与参考电流。进行比较，差值送入电流内环P I 调节器。该P I 调节器的输出送入P W M 比较器，与三角波信号比较产生开关信号的占空比，最后通过驱动电路产生驱动信号控制开关管的通断，实现电路的功率因数校正。1 1 主电路设计基于B o o s t P F C 电路的优点，本系统采用B o o s t 拓扑的主电路来实现P F C 的数字控制。电路设计要求如下：输入电压：8 0 V A C 2 5 0 V A C，输入频率：5 0 H z；输出电压：3 8 0V D C；输出功率：2 8 8w；开关频率：5 0k H z；功率因数：0 9 9。电路主要元器件的参数计算参考文献”J，实际取电感为1 5 m H，电容取3 个2 2 0 u F 4 5 0 V 并联，功率开关管选取I R公司的M O S F E TI R F P 4 5 0，其额定电压为5 0 0V，额定电流为1 4A；续流二极管选择摩托罗拉公司的快恢复二极管作者简介：李杭军(1 9 8 2-)，男，硕士研究生，主研方向：功率电子变换收穑日期：2 0 0 8 0 8 2 8E-m a i l：m j 8 2 1 0 1 8 1 2 6 c o m1 5 9 _ 一M U R 8 6 0，其额定电压为6 0 0 V，额定电流为8 A。反向恢复时间为5 0 1 1 5。1 2 控制电路设计图2 为数字控制系统的框图，主要由以下几个部分组成：C P U 及其外围电路，信号检测与调理电路，驱动电路和保护电路。其中，信号检测与调理电路主要完成强弱电隔离、电平转换、信号放大及滤波等功能，以满足D S P 控制系统对各路信号电平范围和信号质量的要求。豳2 数字控系统框图开关调节系统是一个通过控制电路(弱信号)调节主电路(功率信号)的能最转换系统，在这个系统中，高压、大电流的功率信号与低压、小电流的弱信号共存于一个系统，为了使控制电路能够安全工作，不损坏D S P 等芯片，一般需要将功率信号与控制信号进行电气隔离。同时，D S P 内部的A D转换器，输入信号范围为0V 3 3V，所以送到A D1 3 的被采样信号幅度必须限制在3 3 V 以内，以免损坏D S P 芯片。整流输入电压通过变压器隔离后经电阻分压及滤波，送入由运放构成的电压跟随器，后经比例运算放大及稳压管限幅电路，将整流电压信号限制在0V 3 3V，送到D S P 的A D 采样口A D C I N 0。输入电流通过电流传感器检测，选用南京中霍传感科技有限公司的T B C 0 3 S Y A 霍尔电流传感器，额定输入电流3A，最大电流6A。电流传感器输出的电流信号经测量电阻转换为电压信号，然后经R C 低通滤波器滤除输入电流中的高次谐波，最后通过比例运算放大及稳压管限幅电路，将送至A D C I N l 的信号幅度限制在3 3V 以内。直流输出电压检测未采用霍尔电压传感器，而是采用由T L 4 3 1 与P C 8 1 7 构成的隔离型电压反馈网络，降低了控制成本。通过隔离型电压采样网络获得的电压信号经过电压跟随器及输出限幅之后，信号幅度被限制在3 3 V 以内，送至D S P的A D C I N 2 采样I：1。2 系统软件设计2 1 控制器设计本系统中P F C 电路采用的是双闭环的数字控制结构，即由电流内环和电压外环共同控制H】。电流内环调节电感电流，使之波形上跟随输入电压的波形变化，从变换器的输入端看进去，负载晕纯阻性。电压外环的输出与整流输入电压的采样值相乘，乘积作为电流控制环节的基准信号，通过调节电流基准信号的平均幅值，使得输出电压保持稳定。图3 为P F C 数字控制原理框图。图中电压和电流的信号检测及调理电路分别由对应的增益模块石，x，和q 来表示。乘法器增益K。也加入到控制环中，通过如的调整，使得输入电压在一定范围内波动时，电路也能稳定工作。控制一1 6 伊一电路的内环为电流环，由参考电流信号，。控制。电流内环的输入为占空比d，输出为电感电流f。电流内环调节器G 乙的输出u。必须使得电感电流信号。跟随输入参考电流信号o。控制电路的外环为电压环，由参考电压信号，控制。电压外环的输入为u。，输出为直流母线电压K。电压环调节器G。的输出确定参考电流信号的幅值。这样，当负载和输入电压一定时，输蹦电压可以保持在参考输出电压水平上。圈3 教字控翻囿路程图2 2D S P 程序设计D S P 控制程序由丰程序和中断服务子程序组成，本程序只有一个中断服务子程序，避免了中断嵌套现象，提高了程序的可靠性。图4(a)是主程序流程图，主程序在开机或复位后，首先要进行系统的初始化，包括系统初始化、变量初始化、事件管理器A 初始化以及中断初始化。系统完成了前期的工作，为后续程序的正确运行做好了准备。然后系统进入空循环，等待中断的发生。中断程序主要完成输入整流电压、电感电流、输出电压3 个模拟信号的采样，进行A J D 转换，然后完成电压环P I 调节，电压环输出与整流电压采样值的乘积作为参考电流送入电流环P I 调节，然后根据电流环输出计算比较寄存器值，产生占空比信号，控制开关管动作。中断程序流程图如图4(b)所示，循环频率为5 0k H z。(a)主程序(b)中断程序。圈4 程序藏程3 系统仿真及实验3 1M a t l a b 敦字仿真在理论分析的基础上，通过M a t l a b 的s i m P o w e r s y s t e m s工具箱对上文设计的电路及控制器进行S i m u l i n k 仿真【5】，验证该系统的可行性。图5 给出了基于平均电流方案的数字控制P F C 仿真模型，包括电压P I 调节模块、电流P I 调节模块、乘法器模块、P W M 模块等。P I 调节器模块实现了具有抑制积分饱和特性的数字P I 算法。为了清楚地显示电流波形，仿真模型中将输入电流乘以增益2 0，电路仿真参数与理论计茸所得参数保持一致。图5 系统数字仿真模塑图6 是输入电压2 2 0V 时电路的工作波形。输入电流在波形与相位上跟踪输入电压波形，利用T o t a lH a r m o n i cD i s t o r t i o n 工具分析输入电流总谐波畸变T H D 为7 4，功率因数为O 9 9 72，直流输出电压基本稳定在3 8 0V。v o n a o e0 j0 3 20 3 40 3 e0 3 80 J圈6 输入电压2 2 0 V 的工作波形图7 和图8 是系统负载变化时的动态响应，图9 和图1 0是系统输入电压变化时的动态响应。从仿真结果可以看出当输入电压波动和负载变化时，输出电压仍能保持稳定。图7 负载半载突变到满载图8 负载满载突变到半载图9 输入电压2 2 0 V 突变到2 0 0 V图l O 输入电压2 2 0 V 突变到2 4 0 V3 2 实验分析在M a t l a b 仿真的基础上，本文制作了P F C 数字控制的实验室样机，主电路及控制电路的实验参数与仿真参数基本一致。图1 1 给出部分实验波形。图1 1(a)为输入电压2 2 0V 时的入端电压和电流波形，通道I 为电流波形，通道2 为电压波形，其中电压的比例约为1：2，电流的比例约为l：4。输入电流无论是波形还是相位都基本跟踪输入电压呈正弦化。图1 l(b)为输入电压2 2 0V 时入端电流的F F T 分析，电流谐波较小，功率因数达到O9 9 3。图l l(c)为电感电流与输出电压波形，其中电压的比例约为l：2，电流的比例约为l：8，输出电压基本稳定在3 8 0 V，达到了设计要求。图1 I r d)中通道l 为驱动波形，通道2 为电感电流波形，其中电压的比例为l：l，电流的比例约为1：8，开关频率为5 0k H z。一1 6 l 一圈1 l 试验波形表1 为输入电压变化时系统源效应的实验数据。输入电压在较宽范围内变化时，电路始终保持很高的功率因数。寰1 系统蒜效应实验效据实验结果表明，本文设计的主电路及控制电路参数是正确的，输入电压在较宽范围内变化时，输出电匿保持恒定，输入电流跟踪输入电压波形，实现了高功率因数校正的数字控制。4 结束语随着商速度、廉价的数字信号处理器(D S P)的出现，在开关电源中采_ f I 数字控制技术已成为发展的趋势。本文介绍了平均电流型P F C 电路的D S P 实现方案，给出了系统的软硬件设计过程。M A T L A B 系统仿真验证，电路参数的正确性，通过T M S 3 2 0 L F 2 4 0 7 AD S P 实现r 升关频率为5 0k H z 的单相P F C 电路的数字控制。实验结果表明该数字控制系统是可行的，电路实现r 高功率因数校正。参考文献【1 T e x a sI n s t r u m e n t s T M S 3 2 0 L F L C 2 4 0 x AD S PC o n t r o l l e r sR e f e r e n c eG u i d e：S y s t e ma n dP e r i p h e r a l s，S P R U 3 5 7 B Z 2 0 0 1【2】C h o u d h u r yS A v e r a g eC u r r e n tM o d eC o n t r o l l e dP o w e rF a c t o rC o r r e c t i o nC o n v e n e rU s i n gT M S 3 2 0 L F 2 4 0 7 A，S P R A 9 0 2 A【z】T e x a sI n s t r u m e n t s 2 0 0 5【3】刘胜利现代高频开关电源实用技术【M】北京：电子工业出版社2 0 0 1【4】R i d l e yR A v e r a g eS m a l lS i g n a lA n ,d y s i so ft h eB o o s tP o w e rF a c t o rC o r r e c t i o nC i r c m t C f P r e c o fV P E CS e m i n a r B l a c k s b u r g，V i r g i n i a，U S A：s 1 1】，1 9 8 9：1 8 5 1 9 7【5】洪乃刚电力电子和电力拖动控制系统的M A T L A B 仿真f M】，北京：机械工业出版社，2 0 0 6(上接第1 5 8 页)(3)关闭信道预测。断开数据库连接，并释放信道预测所有相关资源；函数：i n tc h p d c l o s e()；3 结柬语本文提出的基于R T T 的信道预测的实现，在模拟环境中的测试结果是：对于带宽的利用率，在同等物理带宽下，能比T C P 最多高出4 3 左右。这体现了在卫通信道中，信道厦一1 6 2 一测能够使网络传输的带宽利用率得到较大幅度的提升。参考文簟【l】朱利，周俊辉，郑守棋。等基于R T T 的自适应拥塞控制研究m 计算机学报，2 0 0 0 2 3(7)：7 0 5 7 1 0 2 1I n f o r m a t i o nS c i e n c e sI n s t i t u t eU n i v e r s i t y T r a n s m i s s i o nC o n t r o lP r o t o c o l l E B O L 2 0 0 8-0 5 3 0 h t t p：w w w i e f f o r g r f c f f c 0 7 9 3 t x t 1 3 1U s e rD a t a g r a mP r o t o c o l Z 2 0 0 8-0 5 3 0 1 h t t p：w w w i e f f o r g r f c b 0 7 6 8，t x l