基于Boost拓撲平均電流模式的APFC研究

楊徐路 顧國帥 楊振 牟昱東

摘要：數字化功率因數校正技術是當前時代電力電子領域中的幾個重要發展方向之一。本文基于 Boost拓撲平均電流模式下的數字化功率因數校正控制方案，完成了控制系統的軟硬件設計與仿真驗證，搭建了基于MC56F8013的實驗平臺。實驗結果表明：該方案滿足系統的功率因數校正設計要求。

關鍵詞：功率因數校正;數字化;Boost

中圖分類號：TM46 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）10-0132-02

0 引言

近些年來，伴隨電力電子技術的迅猛發展以及電力電子元器件本身的技術突破，電力電子產品在眾多領域得到了廣泛的應用。同時，由于電力電子技術會帶來諸如電網側諧波污染、功率因數降低等問題，國家出臺了一系列標準以對降低諧波電流和功率因數校正提出強制性要求[1]。在此背景下，一方面，因數字化APFC對比模擬PFC技術有明顯價格優勢、可實現更為復雜的算法、更靈活方便，許多電力電子相關行業研究人員開始投身該技術的研究;另一方面，隨著數字控制技術的日趨成熟，PFC技術的數字化也逐漸成為可能[2]。

1 數字化PFC控制方案

本文基于平均電流控制策略，在Boost升壓電路拓撲中應用PFC電路，可在較寬范圍的電壓輸入條件下（90-265V）保持后端輸出電壓及功率的恒定并取得良好的PFC功率因數校正效果?；贒SP Frescale MC56F8013的數字化控制方案如圖1所示。

功率因數校正系統主要包括硬件和軟件兩部分的設計內容。硬件層面上，通過完成主功率電路設計、數字信號處理芯片的控制回路設計、抗干擾設計、驅動電路設計以及故障保護電路設計等，實現了系統的能量傳輸需求，保證了信號的完整性和工作的穩定性。軟件層面上，本文圍繞數字化控制方案進行設計，與傳統的模擬功率因數校正芯片不同，數字化功率因數校正功能主要是依靠其內部的控制算法來實現，其算法工作原理如下[3]：系統首先進行電流反饋控制基準信號的合成，主要由三部分組成：完成系統主回路輸出電壓U0的采樣，將采樣結果儲存至ADC模塊中的ANA1寄存器，與設置的基準電壓U0*比較后產生相應的誤差信號Uerr，并將此誤差信號送入電壓放大器進行處理，其輸出結果將作為電流反饋控制基準信號的一路輸入，用來穩定輸出電壓信號;完成系統輸入端電壓Uin的采樣，將采樣結果存儲至ADC模塊中的ANB0寄存器，其值作為控制基準信號的第二路輸入，用于作為電流波形的基準，以保證輸入電流信號的正弦性;同時為了達到系統恒功率輸出的目的，加入了第三路輸入信號：電源電壓有效值平方的倒數，從而保證在寬范圍電壓供電時系統輸入電壓的前饋作用，以實現輸出功率的恒定。以上信號作為電流反饋控制基準信號乘法器的三路輸入，經合成后將輸出信號Ierr與存儲在ANA0寄存器中的輸入電流實測值IL比較，并將其差值送入電流放大器進行處理，將輸出結果Iout送入下一級的PWM比較器中，產生相應的控制MOS通斷的PWM脈沖，從而實現系統的數字化PFC功能[4]。

2 硬件電路設計

電路輸入電壓有效值范圍為90V至265V，額定輸入電壓220V，頻率50Hz，輸出電壓為400V，開關頻率為100KHz，輸出功率300W，效率為90%，且輸出電壓紋波控制在3%輸出電壓以內。

參照參考文獻設計要求，按照上述參數，選擇電感值828uh，輸入電容選擇0.824μF，輸出濾波電容選擇330μF/450V的電解電容，開關管選擇意法半導體公司的IRF840，額定電流為8A，額定電壓為500V;二極管則采用了恩智浦半導體公司所生產的反向恢復時間僅為17.5ns的超快恢復二極管BYV29FX，其額定電流為9A，反向擊穿電壓為600V，不僅滿足系統的設計要求，還極大降低了因反向恢復現象所造成的功率損耗。信號處理器采用FREESCALE公司的MC56 F8013，其基于增強型內核56800 E系列，內部總線時鐘可達32MHz。

3 軟件設計

軟件設計包括主程序算法和定時中斷服務子程序兩部分。主程序可實現功率因數校正系統初始化、軟啟動以及各類故障點的保護工作等。定時器中斷服務子程序主要用于實現對系統中所需控制量的采樣及其相應的A/D轉換、前饋電壓值的計算、電流環反饋控制基準信號的合成，從而實現電壓環和電流環相應的控制工作[5]。本算法采用單中斷服務子程序的結構，以防程序運行中可能出現的嵌套問題，從而實現系統的穩定運行。

主程序首先進行功率因數校正系統及其各類變量的初始化工作，主要包括系統中各類變量的定義及賦初值工作，ADC、GPIO、PWM及定時器等模塊的初始化，以及中斷服務功能等的初始化工作，為后續的程序運行提供保證。當程序開始運行后，首先進行軟啟動環節來保證電路電流電壓的緩慢增長，以維持系統的穩定性。程序運行時會循環檢測系統中的各類故障標志位，當出現過流、過壓等異常狀態時，程序將迅速清零PFC使能位并拉低PWM輸出，從而完成系統的保護功能。

中斷服務子程序的功能主要包括完成所需控制量的采樣及其相應的A/D轉換、前饋電壓值的計算和電流環反饋控制基準信號的合成，從而完成電壓環和電流環的控制工作，實現系統功率因數校正的效果[6]。

4 仿真及實驗結果分析

4.1 Matlab數字仿真

根據上述內容，利用Matlab對平均電流CCM模式下的功率因數校正電路進行仿真建模，仿真得到的輸入電壓、電流結果如圖2所示。

觀察仿真結果可知，輸入電流跟隨輸入電壓，兩者之間相位一致，呈現較理想的正弦波形，此功率因數校正電路的工作效果較為理想。

輸出電壓的紋波為正弦波，其頻率是輸入電壓的兩倍，在保持相同的輸出電容容值時，輸出紋波電壓隨負載的增加而增加，但無論負載如何變化，其紋波電壓的上述特性不會改變。直流母線輸出電壓平均值約維持在400V，紋波電壓的峰峰值也在20V以下，所占比例在3%的要求以內，設計滿足要求。

4.2 實驗分析

根據前面分析設計，制作了300W數字化功率因數校正電路樣機，其校正效果如圖3所示，輸入側電流能夠很好的跟隨輸入電壓，功率因數校正效果顯著，達到設計要求。PFC系統的輸出電壓紋波系數約為1.5%，其值滿足3%以內的設計要求。在整個輸入電壓范圍內對系統進行測試，輸入電壓在120V-265V區間時，輸出電壓可維持在406V左右，設計滿足要求。

5 結語

本文主要圍繞飛思卡爾公司的數字控制器芯片MC56F8013，提出了在Boost拓撲中基于平均電流CCM模式下PFC功率因數校正電路的數字化設計方案，分析了其硬件結構設計及軟件程序流程，在此基礎上利用Matlab進行了系統仿真并搭建了實驗樣機，仿真及實驗結果均表明該數字系統具有良好的功率因數校正效果，有著較好的市場前景。

參考文獻

[1] 張占松，蔡宣三.開關電源的原理與設計[M].北京：電子工業出版社，2002.

[2] 李杭軍.功率因數校正的數字控制[J].計算機工程，2008，34（B09）：159-162.

[3] Skanda V.Power Factor Correction in Power Conversion Applications Using the dsPIC DSC[J].Microchip Technology Inc.1-14，2007.

[4] Barry Mather， Bhaskar Ramachandran and Dragan Maksimovic，A Digital PFC Controller without Input Voltage Sensing[J].IEEE Applied Power Electronics Conference （APEC） pp.198-204，2007.

[5] 王晗.大功率單相數字APFC的研究與實現[D].上海交通大學，2009.

[6] 武香群.基于DSP控制的高頻開關電源PFC研究與設計[D].天津大學，2007.