用數字控制提高無(wú)橋PFC性能

圖6:高壓線(xiàn)路的VIN和IIN波形（VIN=220V,負載=1100W,THD=2.27%,PF=0.996）

改善輕載時(shí)的PF

每個(gè)PFC在輸入端都有一個(gè)電磁干擾（EMI）濾波器。EMI濾波器的X電容會(huì )引起AC輸入電流超前AC電壓，從而影響PF.在輕載和高壓線(xiàn)路下，這種情況將變得更糟糕：PF很難滿(mǎn)足嚴格的規范。要想增加輕載時(shí)的PF,我們需要相應地強制電流延遲。我們如何實(shí)現呢？

圖7:測量到的VIN無(wú)延遲
我們知道，PFC電流控制環(huán)路不斷嘗試強制電流與其參考匹配。該參考基本上是AC電壓信號，只是大小不同。因此，如果我們能夠延遲電壓檢測信號，并將延遲后的電壓信號用于電流參考生成，便可以讓電流延遲，來(lái)匹配AC電壓信號，從而使PF得到改善。這對一個(gè)模擬控制器來(lái)說(shuō)比較困難，但對數字控制而言，只需幾行代碼便可以實(shí)現。

圖8:測量到的VIN被延遲300us

首先，輸入AC電壓通過(guò)ADC測量。固件讀取測量到的電壓信號，再加上一些延遲，然后使用延遲后的信號來(lái)生成電流參考。圖7、8顯示了1100W無(wú)橋PFC的測試結果。在該測試中，VIN=220V,VOUT=360V,而負載=108W（約滿(mǎn)載的10%）。通道1為IIN,通道2為VIN,通道4為帶延遲的測量到的VIN信號。圖7中，測量到的VIN沒(méi)有增加延遲，PF=0.86,THD=8.8%.而在圖8中，測量到的VIN信號被延遲了300us,這種情況下，PF被改善到0.90.此外，還可以進(jìn)一步改善PF,但這將以犧牲THD為代價(jià)，因為進(jìn)一步延遲電流參考，將在A(yíng)C電壓交叉點(diǎn)處產(chǎn)生更多的電流失真。在圖9中，測量到的VIN被延遲了500us,此時(shí)，PF被改善到0.92.但是，電流在電壓交叉點(diǎn)處出現了失真。結果，THD變得更糟糕，達到11.3%.

圖9:測量到的VIN被延遲500us
非線(xiàn)性控制

相比電流環(huán)路，電壓環(huán)路控制的復雜度較低。在數字實(shí)現時(shí)，輸出電壓VO通過(guò)一個(gè)ADC檢測，然后同一個(gè)電壓基準比較。我們可以使用一個(gè)簡(jiǎn)單的比例積分（PI）控制器，來(lái)閉合該環(huán)路。

其中，U為控制輸出，Kp和Ki分別為比例和積分增益。E[n]為DC輸出電壓誤差采樣值。

如前所述，使用數字控制的好處之一是它能夠實(shí)現非線(xiàn)性控制。為提高瞬態(tài)響應，可以使用非線(xiàn)性PI控制。圖10是非線(xiàn)性PI控制的一個(gè)例子。誤差越大時(shí)（通常出現在瞬態(tài)），所使用的Kp增益也越大。當誤差超出設置限制時(shí)，這將加速環(huán)路響應，并且，恢復時(shí)間也被縮短。對于積分器，則又是另外一種情況。眾所周知，積分器用于消除穩態(tài)誤差。然而，它卻經(jīng)常引起飽和問(wèn)題，并且其90°相位滯后也將影響系統的穩定性。正因如此，我們使用了一個(gè)非線(xiàn)性積分增益（圖10）。當誤差超出一定程度時(shí)，積分增益Ki減小，以防止出現飽和、超調和不穩定的問(wèn)題。

圖10:非線(xiàn)性PI控制。
數字電壓環(huán)路控制的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)被稱(chēng)為抗積分器飽和，它一般出現在A(yíng)C下降時(shí)。當出現AC下降且下游負載繼續吸取電流時(shí)，DC輸出電壓開(kāi)始下降，而PFC控制環(huán)路卻仍然嘗試調節其輸出。因此，積分器積分，并可能出現飽和，這種情況被稱(chēng)為積分器飽和。一旦AC恢復，飽和的積分器便可能引起DC輸出電壓超調。為防止出現這種情況，則一旦探測到AC恢復，固件便馬上復位積分器，并且DC輸出達到其調節點(diǎn)。

數字控制器還可以做更多工作，例如：頻率抖動(dòng)、系統監控和通信等，并且還可以為無(wú)橋PFC提供靈活的控制、更高的集成度和更高的性能。在一些高端AC/DC設計中，越來(lái)越多的設計正在使用數字控制器。