數(shù)字式單相功率因數(shù)校正控制方法研究.pdf

1、隨著包含整流-濾波電路的開(kāi)關(guān)電源的廣泛應(yīng)用，接入供電系統(tǒng)的這些設(shè)備會(huì)產(chǎn)生輸入電流畸變。為了改善電網(wǎng)和輸電線路的電力質(zhì)量，使輸入電流總諧波畸變（Total Harmonic Distortion，THD）滿足要求，提高用電設(shè)備的功率因數(shù)（Power Factor，PF），開(kāi)關(guān)電源中必須增加功率因數(shù)校正電路（Power Factor Correction, PFC）。傳統(tǒng)的有源PFC控制器通常以模擬技術(shù)為主，而隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，以數(shù)字

2、信號(hào)處理器（Digtial Signal Processor，DSP）、單片機(jī)和現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）等為代表的數(shù)字控制技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電力電子領(lǐng)域中。
　　本文以研究結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制精確的數(shù)字式單相功率因數(shù)校正器控制方法為目的，提出了基于FPGA的PFC數(shù)字式控制的結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)方式。本文的主要研究成果如下：
　?。?）深入研究了基于三角波的脈沖寬度調(diào)制（Pu

3、lse Width Modulation，PWM）控制方法，提出了用于PFC控制的三角波PWM單周期數(shù)字控制實(shí)現(xiàn)策略。為避免傳統(tǒng)的單周期數(shù)字控制PFC對(duì)數(shù)模轉(zhuǎn)換器（Analog to Digital Converter，ADC）性能要求高、控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜、電感電流采樣算法復(fù)雜等缺點(diǎn)，本文提出了利用三角波PWM直接獲得電流平均值的方法，并利用簡(jiǎn)單的數(shù)字控制結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了單周期PFC控制。三角波PWM數(shù)字控制單周期功率因數(shù)校正器在電感電流連續(xù)導(dǎo)通

4、模式（Continuous Conduction Mode，CCM）模式下具有控制電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輸出 PF高、THD低、控制效果精確、易于數(shù)字實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。
　?。?）提出了基于等效輸入導(dǎo)納的PFC預(yù)測(cè)式數(shù)字控制方法。通過(guò)分析CCM下預(yù)測(cè)式PFC的控制原理，提出了基于等效輸入導(dǎo)納的電感電流不連續(xù)導(dǎo)通模式（Discontinuous Conduction Mode，DCM）修正系數(shù)Δ[n]。通過(guò)DCM系數(shù)Δ[n]修正采樣電感電流iL，

5、可以推出工作在CCM和DCM下的PFC預(yù)測(cè)式數(shù)字控制策略。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)分析，證明了該數(shù)字控制器在對(duì)CCM控制策略簡(jiǎn)單修正后能夠在CCM與DCM下均具有較低的THD和良好的PF。
　　（3）提出了可頻率切換調(diào)制（Switching Frequency Modulation，SFM）的PFC數(shù)字控制方法。為避免單周期數(shù)字控制PFC進(jìn)入DCM，PFC可以在兩種不同開(kāi)關(guān)頻率之間來(lái)回切換。給出了其內(nèi)部有限狀態(tài)機(jī)（Finite St

6、ate Machine，F(xiàn)SM）的結(jié)構(gòu)及可頻率切換調(diào)制機(jī)理和調(diào)制方式?？汕袚Q頻率調(diào)制策略可自動(dòng)檢測(cè)PFC的負(fù)載情況并切換或保持開(kāi)關(guān)頻率從而保證PFC一直保持工作在CCM下，使得PFC在輕負(fù)載下仍能保持高的PF和低的THD。
　?。?）利用前沿三角波PWM或者后沿三角波PWM采集一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)電感電流平均值的采樣技術(shù)，驗(yàn)證了所提出的PFC數(shù)字控制方法。此采樣方法能夠利用簡(jiǎn)單的電流檢測(cè)電路和低速ADC在一個(gè)固定頻率（開(kāi)關(guān)頻率）下直接獲

7、得輸入平均電流。由于轉(zhuǎn)換信號(hào)邊沿控制的ADC采樣時(shí)刻下降沿避開(kāi)了功率開(kāi)關(guān)管的開(kāi)啟、關(guān)斷時(shí)刻電磁干擾（Electro-Magnetic Interference, EMI），保證了ADC獲得采樣值精確。直接通過(guò)采樣電路獲得的電感電流 iL也使得控制電路的結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，消耗數(shù)字控制器的硬件資源較少。論文中提出的三種PFC數(shù)字控制方法均利用了此電感電流平均值采樣方案。實(shí)驗(yàn)證明，利用三角波PWM電感電流采樣方法可以獲得精確的電感電流平均值。搭建的