最經(jīng)典的功率因數控制器設計方案，完整硬件框圖

項目背景及可行性分析

1. 項目名稱(chēng)、項目的主要內容及目前的進(jìn)展情況

項目名稱(chēng)：基于FPGA的功率因數控制器

項目的主要內容：為了進(jìn)一步提高電源功率因數和降低對電網(wǎng)造成的諧波污染，各種拓撲結構的功率因數校正（Power Factor Correction，PFC）技術(shù)已經(jīng)成為電力電子技術(shù)研究的熱點(diǎn)之一。開(kāi)發(fā)一款通用的功率 項目主要的控制算法部分用硬件描述語(yǔ)言實(shí)現，并做成控制模塊添加到FPGA系統中。在軟件設計部分，采用μC/OS-II進(jìn)行多任務(wù)調度來(lái)實(shí)現PC機的人機界面控制、本地調試和遠程控制接口的通訊等。

2. 項目關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng )新點(diǎn)的論述；

項目的關(guān)鍵技術(shù)：首先是浮點(diǎn)數運算，還有流水線(xiàn)設計以及模塊的分時(shí)復用等。

創(chuàng )新點(diǎn)：傳統的PFC數字控制器都是基于DSP的，本項目用FPGA代替傳統的DSP芯片。

3. 技術(shù)成熟性和可靠性論述：

由于PFC模擬和傳統的DSP控制已經(jīng)大量應用，故項目的理論基礎是很成熟的。但由于以PFGA系統級的設計作為PFC的手段，在市面上幾乎沒(méi)有，所以用FPGA設計PFC具有前瞻性的意義。

項目實(shí)施方案

1.方案基本功能框圖及描述

功率電路選用Boost升壓型拓撲。

控制電路采用CCM（電感電流連續）的平均電流控制法。

圖3-1 PFC原理框圖

電壓環(huán)通過(guò)調節平均輸入電流來(lái)控制直流總線(xiàn)電壓，實(shí)現功率因數校正的首要任務(wù)；電流環(huán)控制交流輸入電流使之跟蹤輸入電壓，實(shí)現功率因數校正的第二個(gè)任務(wù)。具體過(guò)程是：輸出電壓分壓后與參考電壓比較，然后經(jīng)電壓控制器處理，得到電壓控制信號；電壓控制信號與輸入整流后的電壓值相乘，得到電流的基準信號，此基準信號中不僅包含了調節輸出電壓的信號成分，而且也包含電流所要跟隨的正弦信號成分；輸入電流與基準信號比較后輸入電流控制器，得到一個(gè)輸出為電壓占空比的信號，此信號通過(guò)PWM發(fā)生器驅動(dòng)開(kāi)關(guān)管通斷。

圖3-2 PFC數字控制原理框圖

2.需要的開(kāi)發(fā)平臺

提高高頻電源的功率因數

這也是PFC的目的所在。PFC的首要任務(wù)：利用校正電路將沿正弦波曲線(xiàn)的上升和下降的不同輸入電壓轉換成穩定的，比輸入正弦電壓幅值稍高的直流輸出電壓。第二個(gè)任務(wù)：檢測輸入電網(wǎng)的電流并使它變?yōu)榕c輸入電網(wǎng)的電壓同相位的正弦波。

人機界面監控以及本地調試和遠程控制

通過(guò)人機界面，設定各種控制參數就可以對高頻開(kāi)關(guān)電源進(jìn)行FPC的實(shí)際監控和測試。在進(jìn)行測試時(shí)，由于電源是在現場(chǎng)（本地），而監控測試可能在遠地，這時(shí)本地和遠地的通訊就尤為重要，所以要進(jìn)行通訊的設計。

需要的器件

A/D、D/A能采樣1MHz的中頻信號，精度8-10位以上；DSP功能強勁；支持MicroBlaze和PowerPC；SRAM等。

所需要的目標FPGA開(kāi)發(fā)平臺，簡(jiǎn)述為什么需要此平臺

設計之初選擇使用Altera DE2開(kāi)發(fā)平臺，擴展板AD、DA自行研發(fā)，驗證簡(jiǎn)單的數據采集和通信的功能。最終將選擇Xilinx Virtex II Pro開(kāi)發(fā)平臺。理由：設計之初選擇Altera DE2板的目的是證明本參賽組對基于FPGA的數字電路設計及其應用上具有參賽實(shí)力。但由于其平臺不具有商業(yè)化的操作，最終選擇Xilinx Virtex-II Pro開(kāi)發(fā)平臺是因為項目屬于計算機架構，嵌入式系統，實(shí)時(shí)操作系統，網(wǎng)絡(luò )方面的應用， 唯Virtex-II Pro XC2VP30能夠滿(mǎn)足該設計要求。

是否需要其它配套的開(kāi)發(fā)工具

需要配套的調試和下載工具

2.方案實(shí)施過(guò)程中需要開(kāi)發(fā)的模塊

電流環(huán)控制算法

為了達到功率因數校正的目的，使輸入電流跟蹤輸入電壓。就必須進(jìn)行電流環(huán)的設計。如圖3-3所示。

輸入電流經(jīng)過(guò)ADC采樣后，將數據送入加法器和除法器中，得到平均電流。電壓環(huán)的輸出信號與輸入的采樣電壓相乘后得到參考電流。比較器經(jīng)過(guò)比較兩個(gè)電流的大小。輸出方波信號控制開(kāi)關(guān)的導通與關(guān)斷，當平均電流等于參考電流時(shí)，開(kāi)關(guān)管關(guān)斷，然后在下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期開(kāi)始的時(shí)候在讓開(kāi)關(guān)管導通，繼續采樣電壓和電流。

圖3-3 電流環(huán)控制框圖

電壓環(huán)控制算法

電壓環(huán)的控制部分采用PI控制算法。由于此算法有許多明顯的優(yōu)點(diǎn)，如系統穩定，控制方便，算法易于設計等等。

圖3-4 電壓環(huán)控制框圖

3.系統最終要達到的性能指標

PF至少達到95%以上。

能實(shí)現本地和遠程控制。

需要的其它資源

1.設計輸入輸出功能子板

完成數據采集與反饋控制的AD、DA擴展板，自行研制，07年11月以前驗收。

2.測試設備

直流穩壓電源、萬(wàn)用表、示波器、頻譜儀、矢量信號分析儀等。

3.方針、開(kāi)發(fā)工具

MATLAB、EDK、ModelSim、Xilinx ISE等，其他的開(kāi)發(fā)工具自行解決。