基于SSC和AW控制的高频双Boost数字PFC电源.pdf

I S S N 1 0 0 0-0 0 5 4请华大学学报(自然科学版)2 0 0 4 年 第C N 1 1-2 2 2 3/N J T s in g h u a Un iv(S c i&T e c h),2 0 0 4,V o l.:卷 第 1 0 期 N o.1 0 1 1/3 61 3 3 7-1 3 4 0基于 S S C和 A W 控制的高频双 B o o s t 数字 P F C电源 蒋志宏，孙晓东“，邢岩“，黄立培，(I.清华大学 电 机工程与应用电子技术系，电力系统及大型发电设备安全控制国家重点实验室，北京1 0 0 0 8 4,2.光宝电子股份有限公司北京电力电子实验室，北京1 0 0 0 8 5;3.南京航空航天大学 自 动化学院，南京2 1 0 0 1 6)摘要:为了实现高频开关电源的数字化和产品化，对数字信号处理器(D S P)控制的功率因数校正器(P F C)模块进行了研究。提出了一种稳态二次谐波补偿(S S C)算法，解决了P F C控制中存在稳态性能与动态性能之问的矛盾，可以在很大程度上增加单相P F C电压环的带宽，提高输出电压的德定度和输入功率因数;同时，采用a n t i-w in d u p P I(A W-P I)调节器较容易地实现了离频控制和输入 电流的波形控制，提高了输出电压的动态性能，开关频率可达2 0 0 k Hz;另外，采用双B o o s t 电路拓扑和双模式控制取得了较高的转换效率，而且。在轻载时可以取得稳定的直流输出电压.仿真和实验结果验证了控制器的有效性。关健词:二次谐波补偿;A W-P I 调节器;双模式控制，双 B o o s t;数字信号处理器中图分类号:T M 3 0 1.2文献标识码:A文章编号:1 0 0 0-0 0 5 4(2 0 0 4)1 0-1 3 3 7-0 4d e n s it y.T h e d e s i g n im p r o v e s t h e d y n a mic p e r f o r ma n c e o f t h e o u tp u tv o l ta g e a n d a c h ie v e s a s w i t c h in g f r e q u e n c y o f 2 0 0 k H z.I n a d d i t io n,d u a l b o o s t P F C to p o lo g y a n d d o u b l e-m o d e c o n t r o l w it h v a r i a b lep a r a m e t e r s a re u s e d f o r h ig h e r e f f ic i e n c y,w i t h t h e d o u b l e-m o d ec o n t r o l a c h i e v in g s t a b l e o u t p u t-v o l t a g e a t l ig h t l o a d s.S im u la t io n sa n d e x p e r i m e n t s s h o w t h a t t h e d ig it a l c o n t r o l le r p r o v id e s v e r ye f f e c t iv e c o n t ro l o f t h e v o lt a g e o u t p u t.K e y w o r d s;s e c o n d-h a r m o n ic c o m p e n s a t io n;d o u b l e-m o d e c o n t r o l;AW-P I r e g u la t o r,d u a l-b o o s t;d ig i ta l s i g n a l p r o c e s s o r (DS P)H i g h f r e q u e n c y d u a l-b o o s t d i g i t a l P F C c o n v e r t e r b a s e d o n s t e a d y s e c o n d-h a r mo n i c c o mp e n s a t i o n a n d a n t i-w i n d u p c o n t r o l J IA N G Z h ih o n g ,S U N X i a o d o n g s,X IN G V a n s,H U A N G L i p e i(l.S t a t e K e y L a b o r a t o ry o f S e c u r i ty C o n t r o l&S i m u l a ti o n o f P o w e r S y s te m s a n d L a r 留 e S c a le G e n e r a t i o n E q u i p m e n ts,D e p a r t m e n t o f E l e c tr ic a l E n g i n e e r i n g a n d A p p l i e d E l e c t ron ic T e c h n o l o g y,T s i n g h u a U n iv e r s i t y,B e i j i n g 1 0 0 0 8 4,C h in a;2.P E-L a b o r a t o r y,L i te-O n T e c h n o l o g y C o r p o r a ti o n,B e i j i n g 1 0 0 0 8 5,C h in a;3.A c a d e my o f A u to m a t is n t io n,N a n j i n g U n i v e r s i t y o f A e ro n a u ti c s a n d A s t ron a u t ic s,N a n ji n g 2 1 0 0 1 6,C h in a)A b s t r a c t:A s t e a d y-s t a te s e c o n d-h a r m o n i c c o m p e n s a t io n(S S C)m e t h o d w a s d e v e lo p e d to s o l v e t h e s i n g l e p o w e r fa c t o r c o r r e c t io n(P F C c o n tr a d i c ti o n b e t w e e n s t e a d y-s t a te a n d d y n a m icp e r fo r m a n c e.T h e r e s u l t g r e a tl y in c r e a s e s t h e v o l ta g e-lo o pb a n d w i d th w h ic h imp r o v e s t h e o u t p u t v o l t a g e s t a b i li t y a n d i n c r e a s e st h e i n p u t p o w e r f a c t o r.T h e a n t i-w in d u p P I(A W-P I)r e g u la t o r w a sa l s o r e d e s ig n e d to i m p ro v e d ig it a l s ig n a l p r o c e s s o r(D S P)n o is eim m u n it y w h ic h i n c r e a s e s th e s w it c h i n g f r e q u e n c y a n d p o w e r 对于单相功率因数校正器(P F C)来讲，无论采用何种电 路拓扑与控制方式，输出直流电压中必然会叠加有二次谐波，导致P F C电路存在稳态性能与动态性能之间的矛盾:即输人电流的畸变率和输出直流电压的动态响应性能之间矛盾。解决这个矛盾的一般做法是限制电压环的带宽，让其穿越频率低于输人电压频率的1/4，即维持在1 0-2 0 H z 左右，这样可以削弱电压环输出中的二次谐波，减少对输入电流的调制，降低畸变率。但同样会使输出电压对负载波动反应迟缓，稳态性能不佳。有很多 策略川 被用来提高 P F C输出电压动态性能，但是都不够理想，在消除二次谐波、提高输出电压动态性能的同时，却带来功率密度、转换效率降低等缺点。本文提出一种简单的稳态二次谐波补偿算法，消除二次谐波对电压控制环的影响，提高了电压环带宽和输出电压稳定度的同时，也提高了输入功率因数。另一方面，数字控制器和模拟控制器相比具有很多的优点 C r s l，但是将数字控制器(D S P)应用到开关电源中来，面临着很多挑战:成本、开关频率、采样频率、功率密度和抗噪性能等。目前，真正意义上的数字(基于D S P)电源的开关频率、功率密度和动收稿B期:2 0 0 3-0 9-0 9作者简介:蒋志宏(1 9 7 4-)，男(汉).江苏，博士研究生通讯联系人，黄立培，教授，E-m a il:h u a n g l ip e i t s i n g h u a.e d u.t o万方数据1 3 3 8清 华 大 学 学 报(自 然 科 学 版)2 0 0 4.4 4(1 0)态响应性能与模拟开关电f.相比仍有一定的差距原因主要有两个:一是采样频率有限;二是在高的开关频率下低的抗噪性能。本文提出使用a n t i-w i n d u p P I(A W-P I)调节 器，可在控制器的输出 超过上限值时，对积分部分进行平滑的控制，能够很好地解决调节器饱和带来的非线性间题，增强数字控制器的抗噪性能，提高系统的动态性能，有利于实现高频控制，提高功率密度。同时，为了 提高 效率，本文采用了 双B o o s t 电路拓扑和双模式控制，而且，在轻载时可以得到稳定的直流输出电压。波的幅值为Vf2 n k 尸out2 a f 2 C o V d c(1)式中:P.为输出功率，几 为二次谐波的频率，C c为输出滤波电容，V d 为输出直流电压。由式(1)可知，当输出直流电压 V d o 达到设定值时，叠加的二次谐波幅值就惟一确定，这样就可对二次谐波进行补偿，补偿方案如图 2 所示。.QL-/S?)三1 双B o o s t 拓扑及基本控制原理 主电路是双 B o o s t 拓扑电路，其数字控制原理如图 1 所示，控制选用的 D S P是TMS 3 2 0 L F 2 4 0 7.k D:-1-匹翌确(-O M P I P Wm 发生器 、卜-一图2 稳态二次谐波补偿原理 图 1 墓于D S P的双B o o s t 控制框图 双 B o o s t 拓扑是由两个单相 B o o s t电路组成，在工频输人的正、负半周期，分别通过开关管S 1 和S 2 实现P F C控制，D 1 和D2 分别是B o o s t 二极管。从图 1 看出，双 B o o s t 拓扑省去了工频整流桥，避免了在输人交流电压过零点换相重叠引起的输入电流畸变，提高了 转换效率。另外，门 极驱动电路也非常简单，只需用一路驱动脉冲。数字控制器的核心是平均电流控制策略E C:电压环是外环，电流环是内环，电 压环的输出决定电流环的给定。整个控制器主要由稳态二次谐波补偿算法、AW-P I 调节器和模式控制部分组成。其中i L ee f和V c h e f 为输人电 流和输出电压的给定值。2 D S P控制器的实现2.1 稳态二次谐波补偿 在单相 P F C电路中，输出电压中叠加的二次谐 稳态时，输出直流电压的反馈值可以表示为 V f d、日梦、产 4 7 0 4 8 0 4 9 0 5 0 0 t/n v s(a)补偿前的输出电压采样4 6 0 4 7 0 4 8 0 4 9 0 5 0 0 t/r n s (b)补偿后的输出 电 压采样1 0.叹冰寸代 卜妇 肠22两乙毛兰-5-10一一4 8 0 4 9 0-5-10 一舀一气4 9 0 5 0 0 t/t 0 5(c)补偿前输入 电 流 图 34 8 0t 1-(d)补偿后输入电流稳态二次谐波补偿的仿真测试波形(a)A W-P I 调节器控制框图61 8 1 1 0 1 1 2 1 1 4 1采 样点 数 一 P 调节，一P I 调节，一-A W-P I 调节 (b)3 种调节器的阶跃响应仿真波形图 4 A W-P I 调节器的控制框图和仿真波形 在此基础上加人 A W 环节，形成 A W-P I 调节器，如图 4 a所示，即对积分项的输人进行条件控制，其输入控制函数为 F;=Kp E，一K,(U。一U p).(4)利用这个控制函数 F;可很好地解决 P I 调节器的输出饱和问题，改善调节性能。K，的选取原则应根据不加任何限制的系统阶跃响应情况来确定。如果不具备这条件，K,w 可以在区间 Kp,K;内取值，然后再根据具体系统进行适当调整。从图4 b 所示的数字仿真的3 种不同调节方式的阶跃响应波形可看出，AW-P I 调节器可以避免由控制器输出饱和带来的大的过冲和长的过渡时间，使控制器的性能得到优化，提高系统动态性能。另外，像根据被控量与设定值的偏差程度来对系统进行具体控制的积分分离或多套P I 参数的方法，也可以用来解决控制器输出饱和问题，但都存在系统稳定性的间题，尤其在高频控制器中，调节参数选择不当就会引起系统振荡。2、3 双模式控制 轻载时开关损耗是变换器损耗的主体，开关频率越高带来的开关损耗越大，同时，输出直流电压也会出现过冲。本文提出使用双模式控制。满载时，P F C模 块在 连续 模式(C C M)下工 作，开关 频率 为2 0 0 k H z;轻载时，P F C模块在断续模式(D C M)下Z作，开关频率为2 0 k H z。双模式控制在提高变换器效率的同时，还可以在轻载时得到稳定的输出电压。控制模式的选取是基于占空比的实时检测来实现的，而且，在不同的工作模式下使用不同的P I 调节器参数。3 实验验证 实验采用稳态二次谐波补偿算法、A W-P I 调节器和双模式控制，开关频率为2 0 0 k H z。满载时功率因数可达到。.9 9 9 1，接近为 1，而且在轻载时可以明显提高效率，直流输出电压也非常平稳。实验测试波形如图 5 所示。从图 5 可以看出输入电流波形可以良好地跟踪正弦输入电压波形，轻载时直流输出电压非常稳定(i。和 v是输入电流电压采样值。)。图6 是轻载时的输入电流和输出电压波形。可以看出，在轻载时，开关频率为 2 0 0 k Hz 时的输出电万方数据