基于Matlab的高功率因數(shù)校正技術(shù)的仿真

摘要：本論文闡述了功率因數(shù)校正意義和必要性，以及分析了模擬控制器和數(shù)字控制器在單相Boost PFC變換器中應(yīng)用，同時(shí)給出了它們的Matlab仿真結(jié)果，論證了數(shù)字控制器在PFC中的可行性。除此之外，我們并且對(duì)模擬控制器和數(shù)字控制器在Boost PFC電路中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較，最后論證了數(shù)字控制器會(huì)取代模擬控制器，成為PFC中主要控制方式。 敘詞：功率因數(shù)校正；模擬控制器；數(shù)字控制器； TMS320LF2407 Abstract： The paper expounds the significance and necessity of PFC. We also analyses the application of analog controller and digital controller in single Boost PFC converter. At the same time, we give the simulated results in Matlab and prove the feasibility of digital controller in Boost PFC converter. Besides we carry out comparison on the experimental effects of analog controller and digital controller in PFC. At last we demonstrate that digital controller will take place of analog controller and become the main control mode of PFC in the future. Keyword：PFC; analog controller; digital controller; TMS320LF2407
1.引言
    由近年來(lái)，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，各種辦公自動(dòng)化設(shè)備，家用電器，計(jì)算機(jī)被大量使用。這些設(shè)備的內(nèi)部都需要一個(gè)將市電轉(zhuǎn)化為直流的電源部分。在這個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程中，由于一些非線形元件的存在，導(dǎo)致輸入電流電壓雖然是正弦的，但輸入的交流電流卻嚴(yán)重畸變，包含大量諧波。而諧波的存在，不但降低了輸入電路的功率因數(shù)，而且對(duì)公共電力系統(tǒng)產(chǎn)生污染，造成嚴(yán)重的電路故障。正因?yàn)槿绱嗽S多國(guó)家制定了相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，用以限制諧波電流的含量。例如IEC 555-2﹑IEC 61000-3-2﹑EN 60555-2﹑GB/T 4549-1993等標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了允許用電電氣設(shè)備產(chǎn)生的最大諧波電流。由此可見(jiàn)，由此可見(jiàn)消除諧波電流和提高功率因數(shù)有非常重要的意義。在整流輸出電路后采用有源功率因數(shù)校正技術(shù)能夠有效地解決上述問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)各種電源裝置網(wǎng)側(cè)電流正弦化，使功率因數(shù)接近1，并且極大地減少諧波電流，消除無(wú)功損耗。然而在有源功率因數(shù)校正中控制方式又分為模擬和數(shù)字控制方式，控制方式的選取對(duì)減少電流諧波和提高功率因數(shù)有重大影響。因此本文重點(diǎn)介紹模擬控制器和數(shù)字控制器在Boost單相功率因數(shù)校正變換電路中的應(yīng)用，并論證了數(shù)字控制方式將逐步取代模擬控制方式，在不遠(yuǎn)的將來(lái)成為PFC中的主流控制方式。

2.有源PFC的工作模式和控制方式
    根據(jù)電感電流是否連續(xù)，PFC電路的工作模式可分為不連續(xù)導(dǎo)電模式(DCM)和連續(xù)導(dǎo)電模式（CCM）。DCM模式的PFC電路一般用于電壓控制型而且功率小于200W，CCM模式的控制方法比較復(fù)雜，一般用于電流控制型并且功率大于200W以上的PFC電路。有源PFC電路的電流控制型控制方式分為峰值電流控制，滯環(huán)電流控制和平均電流控制，本論文中選用的控制方法是平均電流控制法。

3.功率因數(shù)校正的必要性

一般開(kāi)關(guān)電源的輸入整流電路部分為圖1所示：

圖1  整流電路圖[!--empirenews.page--]

例如在離線式開(kāi)關(guān)電源的輸入端，AC電源經(jīng)全波整流后，一般接一個(gè)大電容器，以得到波形較為平直的直流電壓。整流器-電容濾波電路是一種非線形元件和儲(chǔ)能元件的組合。因此輸入交流了電壓雖然是正弦的，但輸入交流電流波形卻嚴(yán)重畸變，呈脈沖狀，其結(jié)果可以由如圖１所示整流電路在Matlab的Simulink中仿真結(jié)果得到驗(yàn)證。從圖2可以看出，輸入電流

圖2  整流電路輸入點(diǎn)壓電流仿真圖

發(fā)生了嚴(yán)重畸變。因此，大量應(yīng)用整流電路，要求電網(wǎng)供給嚴(yán)重畸變的非正弦電流，造成的嚴(yán)重后果是：諧波電流對(duì)電網(wǎng)有危害作用，輸入端功率因數(shù)下降。為了消除電流諧波和提高功率因數(shù)，必須在電路整流后加入功率因數(shù)校正電路。應(yīng)用最廣泛的是單相Boost有源功率因數(shù)校正變換電路，如圖３所示。

  圖3 單相Boost功率因數(shù)校正原理圖 

在上述單相Boost功率因數(shù)校正電路中，最關(guān)鍵的部分是控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，控制方式的選取又是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心?？刂齐娐房梢砸话氵x用模擬控制器和數(shù)字控制器,下面將詳細(xì)的分析模擬控制器和數(shù)字控制器在單相Boost功率因數(shù)校正電路中應(yīng)用。

4.模擬控制PFC的實(shí)現(xiàn)

4.1模擬控制的PFC模型[1]

單相Boost功率因數(shù)校正電路中的模擬控制方法應(yīng)用比較廣泛，目前已經(jīng)有現(xiàn)成的商業(yè)化集成電路芯片，如TI/Unitrode公司的UC3854，F(xiàn)airchild公司的ML4812以及Stmicroelectronics公司的L6561等，圖4是基于UC3854的模擬控制電路結(jié)構(gòu)方框圖。圖中Boost變換器工作在連續(xù)導(dǎo)電模式下，其電感電流就是輸入電流。電感電流被采樣并被控制，其幅值與輸入電壓同相位的正弦參考信號(hào)成正比，從而達(dá)到功率因數(shù)校正的目的；乘法器方式PFC電路還可以根據(jù)輸出電壓反饋信號(hào)，利用一個(gè)乘法器電路來(lái)控制正弦參考電流信號(hào)，從而獲得可調(diào)整的輸出電壓；同時(shí)，也具有輸出電壓的平均值。實(shí)際上模擬控制器可以概括為兩個(gè)控制環(huán)，內(nèi)環(huán)電流環(huán)，作用是使輸入電流跟蹤輸入電壓，外環(huán)電壓環(huán)，作用是穩(wěn)定輸出電壓。

圖4  Boost PFC模擬控制原理圖

4.2模擬控制PFC的設(shè)計(jì)[!--empirenews.page--]

基于UC3854的模擬PFC如圖4所示：電路的顯著特點(diǎn)是引入儲(chǔ)能電感L和乘法器M。儲(chǔ)能電感L與高頻開(kāi)關(guān)S的配合起到電流分配器的作用，當(dāng)開(kāi)關(guān)管S導(dǎo)通時(shí)，二極管D截止，電流流過(guò)電感L；當(dāng)開(kāi)關(guān)管S斷開(kāi)時(shí)，二極管D導(dǎo)通，L將儲(chǔ)存的能量為負(fù)載供電。在二極管D截止期間，負(fù)載電流靠輸出電容Co來(lái)維持。如果按照交流線電壓的正弦波形變化規(guī)律來(lái)控制開(kāi)關(guān)管S的導(dǎo)通和截止，有可能使通過(guò)儲(chǔ)能電感L的電流波形正弦化。這里電流乘法器M起著很關(guān)鍵的作用，乘法器M實(shí)際上是一個(gè)工作頻率正比于正弦線電壓頻率的電流源，該電流源充當(dāng)PWM比較器的參考信號(hào)iref與電路回路電流信號(hào)if進(jìn)行比較，并將其誤差轉(zhuǎn)換成驅(qū)動(dòng)高頻開(kāi)關(guān)管S的一系列脈沖控制信號(hào)。由于參考信號(hào)iref完全跟蹤交流市電輸入正弦波電壓的全波整流輸出的正弦信號(hào)，這一系列控制脈沖信號(hào)的占空比也是嚴(yán)格按正弦分布?？刂七^(guò)程是一個(gè)深度電流負(fù)反饋過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)交流市電輸入電流波形包括的正弦化。另外，電流乘法器M的輸出電流iref還反比于Boost PFC電路的輸出電壓Vo或正比于輸出電壓比較器的輸出電壓Ve,這意味著Vo也在左右PWM比較器的電流參考信號(hào)iref，使Boost PFC電路的輸出電壓Vo穩(wěn)定不變。因此乘法器M起雙重作用，強(qiáng)制輸入電流信號(hào)的正弦化和穩(wěn)定輸出電壓Vo。據(jù)圖4和UC3854的功能可在Matlab的Simulink中設(shè)計(jì)模擬仿真模型圖[2]。  

圖5  Boost PFC模擬控制器輸入電壓電流仿真

 
圖6  數(shù)字控制的PFC原理圖

4.3仿真結(jié)果及分析

仿真參數(shù)：輸入電壓交流VAC=220V；升壓電感L=1mh；輸出電容Co=1410；fk=50Khz；Ro=50 。圖5所示的是模擬PFC仿真結(jié)果：從圖中我們可以看出，模擬控制PFC使輸入電流較好地跟隨了輸入電壓，并且降低了諧波電流，達(dá)到了功率因數(shù)校正的目的。由此可知單相Boost PFC電路的模擬控制方法優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單直接，設(shè)計(jì)方便；缺點(diǎn)是控制電路所用的元器件比較多，調(diào)試麻煩，電路維護(hù)成本高和不易升級(jí)；另外電路適應(yīng)性較差，容易受到噪聲干擾和環(huán)境的影響。

5.數(shù)字控制PFC的實(shí)現(xiàn)

5.1數(shù)字控制的PFC模型

如圖6所示是基于DSP（TMS320LF2407）的數(shù)字控制PFC模型，同圖4模擬Boost PFC的相比較，原理是一樣的，區(qū)別就是用兩個(gè)數(shù)字的比例積分控制器（PI）Ki﹑Ku代替了原來(lái)的兩個(gè)誤差放大器。另外，在電壓PI的輸出端加了一個(gè)陷波濾波器，濾波頻率為100HZ。與模擬濾波器相比，數(shù)字濾波器可以很好的減少100HZ的諧波成分，同時(shí)引入相位影響要小很多。這樣，就可以提高電壓回路的帶寬，繼而提高電路的反映速度。在圖6中，三個(gè)采樣信號(hào)被采樣，分別是輸出電壓Vi,輸入電流Ii和輸出電壓Vo。其中值得注意的一點(diǎn)是，我們可以編程實(shí)現(xiàn)總是在開(kāi)關(guān)閉合的中間時(shí)間對(duì)is采樣，從而不需要另加低通濾波器就可以is的平均值。

5.2 數(shù)字控制PFC設(shè)計(jì)[1]。

接下來(lái)，我們分別建立PI控制器和陷波器的數(shù)字模型。PI控制算法的模擬表達(dá)式為：          （1）

對(duì)（1）進(jìn)行離散化處理得到：

 （2）

式中： 為比例系數(shù)； 為積分系數(shù)；

T為采樣周期； 為積分時(shí)間常數(shù)。

PI系數(shù)的確定通常通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定，或通過(guò)湊試，或者通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公司來(lái)確定。

陷波濾波器的設(shè)計(jì)可根據(jù)公式（3）確定

    （3）

式中： 是濾波頻率的角速度；Q值按不同的要求確定。離散化可以由Matlab的sysd=c2d(sys,Ts)方程方便的實(shí)現(xiàn)。[!--empirenews.page--]

5.3 DSP控制的實(shí)現(xiàn)[3]

這里采用TI公司的16位TMS320LF2407來(lái)實(shí)施控制方案。對(duì)電流回路和電壓回路分別采用20kHz和10kHz的控制頻率。兩個(gè)中斷程序INT2和INT3用來(lái)完成PFC的數(shù)字控制，其中斷程序INT2負(fù)責(zé)3個(gè)輸入的采樣以及電流回路的PI控制，中斷程序INT3負(fù)責(zé)電壓回路的PI控制以及陷波濾波。圖10是主程序控制流程圖，其中INT2的中斷優(yōu)先級(jí)高于INT3,所以當(dāng)INT3沒(méi)有完成而INT2中斷發(fā)生時(shí)，INT3將懸掛，直到INT2中斷程序運(yùn)行結(jié)束后才能繼續(xù)運(yùn)行。

圖7　主程序流程圖

5.4  仿真結(jié)果及分析

根據(jù)圖6和TMS320LF2407的特性在Matlab的Simulink中進(jìn)行仿真得到仿真圖如圖8所示，由圖可知，DSP數(shù)字控制PFC使輸入電流很好地跟隨輸入電壓，而且完全消除了高次諧波電流，實(shí)現(xiàn)了功率因數(shù)校正的目的。從這里可以看出單相Boost PFC電路的數(shù)字控制的優(yōu)點(diǎn)是元器件少，便于系統(tǒng)調(diào)試和維護(hù)；另外DSP內(nèi)部的數(shù)字處理不會(huì)受到電路噪聲的影響，避免模擬信號(hào)傳遞的畸變﹑失真，因此控制可靠；還有因?yàn)檐浖邪瑥?fù)雜的控制系統(tǒng)因而顯著的減少了電路的尺寸。缺點(diǎn)是在整流器件方面采用數(shù)字控制研究開(kāi)展的還不多，成熟的控制算法難以獲得，此外數(shù)字控制芯片如DSP的價(jià)格相對(duì)較高等等。

圖8  Boost PFC數(shù)字控制器輸入電壓電流仿真圖

6.結(jié)論

從上面的分析可以知道，模擬控制器和數(shù)字控制器在單相Boost功率因數(shù)校正電路中都可以提高功率因數(shù)，消除高次諧波電流和降低總諧波畸變因數(shù)（THD），完全的實(shí)現(xiàn)了功率因數(shù)校正的目的，但是數(shù)字控制器在相比于模擬控制器，在功率因數(shù)校正的效果上更優(yōu)，且能減少元器件數(shù)量和顯著的降低電路的體積；便于電路的維護(hù)和升級(jí)，且不易受環(huán)境的影響。雖然用于數(shù)字控制電路中的DSP價(jià)格還比較高，但是隨著時(shí)代的進(jìn)步，DSP價(jià)格的進(jìn)一步降低和控制算法的成熟，相信在不遠(yuǎn)的將來(lái)，數(shù)字控制器一定會(huì)取代模擬控制器廣泛的應(yīng)用于PFC電路中。