一种数字式Boost PFC实现方法设计

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摘 要：本文介绍了PFC的作用及目的，采用平均电流模式控制，设计了以dsPIC30F3010芯片为控制核心的Boost PFC硬件电路结构框图，并阐述了具体工作原理及过程，并给出PFC数字设计的系统结构图和传递函数结构图。

关键词：Boost PFC；平均电流模式；传递函数

中图分类号：TP17 文献标识码：A

1 引言

PFC（Power Factor Correction）即功率因数校正，在大多数AC-DC变换电路中，整流输出环节通常需要采用容性滤波环节，但由于非线性元件和储能元件的组合使用，虽然输入的电压为正弦波形，但输入电流变为断续、短暂的高峰值电流脉冲，当主电源输出这种类型的电流时，由此产生的电路损耗、总谐波含量和辐射干扰都将显著增加，PF较低。PFC的目标是使电源的电流负载相当于一个简单的电阻负载，尽可能减小因电流与电压的相位差及电流中存在的谐波分量造成的无功功率，提高PF。只要能实现输入电流波形对输入电压波形的跟踪，即可达到单位PF的目的。

2 电路拓扑结构和控制方案选择

本文采用Boost变换器拓扑结构实现有源PFC，该方式有如下优点：输入电流连续，EMI小；有输入电感，可减少对输入滤波器的要求，并可防止电网对主电路的高频瞬态冲击；输出电压大于输入电压峰值；开关器件的电压不超过输出电压值且容易驱动功率开关器件，其参考点（源极）电位为0V。为实现数字式控制，采用了dsPIC30F3010主控芯片，它输出用于控制升压型转换器功率开关的驱动脉冲，并由此对直流母线标称电压进行控制以使交流线呈现为阻性负载。本文使用的PFC技术为平均电流模式控制，在该模式中，输出电压的控制是通过改变电流幅值信号的平均值来实现的。电流信号是通过数字计算整流输入电压、电压误差补偿器输出和电压前馈补偿器输出的乘积来获得的。乘以整流输入电压是为了使得电流信号具有与整流输入电压相同的波形。电流信号应尽可能地与整流输入电压匹配以获得较高的功率因数。电压前馈补偿器对于保持恒定的输出功率至关重要，因为它负责对输入电压与其标称值的偏离进行补偿。本文设计的硬件电路结构框图如图1所示，传递函数框图如图2所示。虚线框内为dsPIC30F3010控制器部分，系统采用双闭环结构，内环为电流随动系统，外环为电压恒值系统，为了实现控制策略，系统需要检测最关键的三个量值：①输入整流电压VAC②输入电感电流IAC③输出电容电压VDC。以上三个瞬时信号在主电路上检测后经信号调理电路送至控制器的A/D转换口，为控制器提供实时数据。双闭环系统主要工作过程如下：由输出电压参考信号VDCREF为电压环提供给定值，该值与直流输出电压的采样值VDC作比较并产生误差信号VERR，VERR再作为PI调节器的输入，至此构成了电压误差补偿器，该补偿器输出电压VPI，但VPI并不直接作为电流环的给定值，为了使电感电流能够跟踪输入整流电压以及恒定功率控制，电流环的给定值IACREF应为电压前馈补偿器的输出值、VPI和VAC三者的乘积。IACREF与电感电流的实时采样值进行比较后得到电流误差信号IERR，再经PI调节器输出开关占空比信号，从而控制PFC电路的开关进行动作。输入电压前馈控制的目的是保持由负载确定的输出功率恒定，而不论输入电压如何变化。这一补偿器采用全数字实现，其实现过程为：计算输入电压的平均值，对该平均值进行平方，并将该结果作为分母得到输入参考电流送入电流误差补偿器。

结语

本文设计的基于dsPIC30F3010数字信号控制器的boost型有源pfc实现方法具有一定的优越性，工作在CCM模式能较好实现AC-DC变换，可以获得较高的功率因数，输入电流谐波含量较低，输出电压可以具有较好的稳定度和平滑度，可以有较好的动态和稳态响应特性。尤其采用数字式控制方式，容易实现系统升级，不易受元件老化和温漂影响，器件数量少，增加了抗干扰能力。本文旨在阐述原理，并未给出定量计算。

参考文献

[1]林渭勋.现代电力电子电路[M].杭州：浙江大学出版社，2002.

[2]李荣正.PIC单片机原理及应用（第2版）[M].北京：北京航空航天大学出版社，2005（01）.

[3] F.C.Lee.Power converter modeling and control， lecture notes for ECE， 5254 at Virginia Tech， Spring 2003.

作者简介：宋巍（1981，12―），硕士研究生学历，毕业于辽宁工程技术大学电力电子与电力传动专业，现工作于无锡技师学院，担任电气自动化、电子专业的教学工作。