數字升壓型功率因數校正轉換器的分析與設計

摘要:本文以升壓型轉換器為AC-DC功率因數校正整流器的基本結構，控制核心采用DsPIC30F4011數字信號處理器，利用主動(dòng)式功率因數校正技術(shù)的平均電流控制法，提高功率因數，減少輸入電流諧波。為避免高功率因數轉換器電壓回路系統的帶寬限制，額外加入負載電流以改善負載變動(dòng)時(shí)輸出電壓的暫態(tài)響應。詳細分析轉換器、系統建模及控制器設計，開(kāi)發(fā)一個(gè)450W的數字升壓型功率因數校正轉換器，通過(guò)試驗驗證轉換器的高功率因數性能及輸入電壓幅值變動(dòng)和負載變動(dòng)時(shí)，輸出電壓的穩壓性能。

　　傳統AC/DC整流器因橋式整流器和濾波電容在整流過(guò)程中產(chǎn)生脈沖電流，造成低功率因數及電流諧波，需要對功率因數進(jìn)行校正。理想的AC/DC轉換器應具有兩種特性：從電網(wǎng)端看須具備高功率因數的特性，從負載端看要有穩壓性能。主動(dòng)功率因數校正電路在運行校正電路連續導通模式(CCM)下，電路不具備功率因數校正的能力，需控制輸入電流，使輸入電流隨輸入電壓波形及相位變化來(lái)提高功率因數^[1-3]。利用平均電流控制的功率因數校正轉換器對負載變動(dòng)及輸出電壓的暫態(tài)響應較為遲緩，且需要復雜的控制電路及額外的乘/除器，數字電路等。而Figures[4]提出的負載電流法能有效改善輸出電壓暫態(tài)響應及穩壓特性^[5-6]。

　　本文以數字信號處理器DsPIC30F4011為基礎，采用平均電流控制法與負載電流注入控制法實(shí)現數字控制高功率因數升壓型AC/DC轉換器系統。整個(gè)系統包括內回路電流控制、外回路電壓控制及負載電流注入控制，通過(guò)該系統能在負載和輸入電壓幅值變動(dòng)時(shí)，提高轉換器的功率因數及輸出電壓的穩壓性能。

1 升壓型轉換器系統

　　以數字信號處理器為基礎的數字控制高功率因數轉換器的系統結構如圖1所示。其中內回路系統電流控制的作用是使輸入電流隨輸入電壓變化，以達到高功率因數性能;外回路電壓控制作用是當輸入電壓幅值及負載變動(dòng)時(shí)，整流器都能具有良好的輸出穩壓性能;負載電流注入控制的作用是將負載電流狀態(tài)納入反饋控制電路，以改善輸出電壓的暫態(tài)響應特性^[7-8]。

　　以平均電流控制法為基礎的高功率因數升壓型轉換器的系統方框圖如圖2所示，為設計內回路電流控制器及外回路電路電壓控制器，以提高系統功率因數及輸出穩壓性能，首先必須對升壓型轉換器進(jìn)行分析，并建立受控系統模型，得出相應的數學(xué)模型，以此作為控制器設計基礎。

2 高功率因數升壓型轉換器分析與建模

2.1 升壓型轉換器分析

　　高功率因數升壓型轉換器如圖3所示，經(jīng)過(guò)橋式整流的電壓源的全波波型，線(xiàn)電壓半周期為。在穩態(tài)分析前，假設：(1)切換周期T_s，開(kāi)關(guān)導通比d;(2)電路運行在連續導通模式;(3)輸出電容足夠大，使輸出電壓為固定值V₀。

　　在穩態(tài)下，利用伏秒平衡定理有：

(1)

　　整理可得：

(2)

　　因為o<d(t)<1，輸出電壓V₀恒大于輸入電壓V_g。穩態(tài)時(shí)，輸入電壓與導通比變化關(guān)系如圖4。

2.2 內回路電流控制系統建模

　　內回路電流控制的目的是讓平均輸入電流隨輸入電壓波形變化，以達到高功率因數。通過(guò)對比感測電壓V_idg與參考電壓V_iigref，得到誤差信號e_i，如圖2所示。在經(jīng)過(guò)電流控制器C_I(S)和脈沖寬度調制器產(chǎn)生導通比d的驅動(dòng)信號，控制開(kāi)關(guān)的開(kāi)和關(guān)，使平均輸入電流隨輸入電壓變化^[9-10]。

　　為設計電流控制器，需建立控制系統的數學(xué)模型。本文利用狀態(tài)空間平均法對升壓型轉換器作交流小信號分析，推導出控制系統的輸出函數，作為C_I(S)的設計基礎。小信號分析可分為以下步驟：

　　1. 電路狀態(tài)方程：升壓型轉換器如圖3，若開(kāi)關(guān)S打開(kāi)，則二極管關(guān)閉，方程為：

(3)

(4)

　　若開(kāi)關(guān)S關(guān)閉，則二極管打開(kāi)，方程為：

(5)

(6)

　　2. 線(xiàn)性化：對電感電流i_L，輸入電壓V_g，電容電壓V_c0，導通比d，忽略直流項及交流乘積項，可得線(xiàn)性方程式：

　(7)

(8)

　　3. 傳遞函數：求出輸出信號對控制信號導通比的傳遞函數為：

(9)

2.3 外回路電壓控制系統建模