一種PFC變換器輸入電壓前饋控制方法

摘要：功率因數校正(PFC)變換器輸入電壓有效值前饋控制算法計算量大，且存在輸入電流畸變現象。本文詳細分析了PFC變換器輸入電流在輸入電壓過零點附近產生畸變的原因，指出PFC變換器輸入電流超前於輸入電壓是導致輸入電流畸變的主要原因。通過一種輸入電壓前饋控制算法，簡化了控制算法並提高了DSP的工作效率，改善了PFC變換器輸入電流畸變現象。仿真結果證明了本文所提出的方法的有效性，特別是提高了PFC變換器對輸入電壓的響應速度。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/176274.htm

敘詞：功率因數校正 輸入電壓前饋 相位差 數字控制

Abstract： Feedforward control arithmetic calculation load of PFC input voltage effecive value is huge, and there exists input current distortion. The article discusses in detail the reasons of input current distortion after the input voltage of PFC convertor passes zero point, pointing out that the major reason for input current distortion is that the input current of PFC convertor advances before the input voltage. By an input voltage feedforward control arithmetic, the control arithmetic is simplified , the efficiency of DSP is improved and the input current distortion of PFC convertor is mended. Simulation experiments prove that the strategy provided by this article is effective. In particular, the PFC convertor response speed to input voltage has been significantly improved.

Keyword：Input voltage feedforward, Phase difference, Digital control

1 引言

隨著「綠色電源」觀念的深入，為了抑制諧波及降低電磁汙染，功率因數校正(PFC)技術正成為電力電子技術研究的重要領域。在高性價比的CPU和DSP不斷湧現的今天，數字控制在功率因數校正技術領域的應用越來越廣泛。與模擬控制相比，數字控制不僅具有控制簡單，性能穩定，成本低廉等優點，而且通過軟體編程，可以實現不同的控制功能，具有很大的靈活性，DSP也因此在功率因數校正電路中獲得了廣泛的應用[1-3]。

平均電流控制是目前廣泛應用的PFC控制方法[4]，它通過控制Boost PFC開關變換器的平均輸入電流，使其為與輸入電壓同相位的正弦波，從而實現單位功率因數。在基於DSP的平均電流控制方案裡，為了保證在輸入電壓變化時PFC變換器輸入功率恆定，DSP需要計算輸入電壓有效值的平方作為正弦基準電流的分母。大量的採樣、計算及處理工作和DSP 有限的執行速度，使得PFC變換器對輸入電壓的動態響應速度慢，且開關工作頻率受到限制。此外，在輸入電壓過零點附近，由於PFC變換器的電感電流上升率很小，電感電流很難跟蹤上正弦基準電流[5];在負載很輕時，電感電流工作於斷續狀態，變換器的電流環路增益和帶寬很小，電感電流更難跟蹤上正弦基準電流[6]，從而使輸入電流發生畸變。因此，分析並研究PFC電路的輸入電壓前饋控制算法，具有十分重要的意義。

文獻[7]提出了採用輸入電壓平均值作為正弦基準電流分母的方法，該方法需要對輸入電壓進行累加、取平均運算，計算量較大;文獻[8]提出了採用三電平Boost變換器來減小輸入電流畸變的方法，該方法需要對兩個輸出電容進行均壓，控制較複雜;文獻[9]提出了採用佔空比前饋控制環來減小輸入電流畸變的方法，該方法需要設計輸入電壓低通濾波器來保證系統的穩定性，設計較複雜，且控制效果不明顯。本文提出一種基於DSP的PFC輸入電壓前饋控制策略，採用輸入電壓峰值作為正弦基準電流的分母，極大地減少了DSP的計算量，提高了PFC變換器對輸入電壓的響應速度。針對Boost PFC變換器輸入電流畸變的現象，提出根據輸入電壓過零點處所檢測的輸入電流值來修正給定正弦基準電流的初相角，從而改善PFC輸入電流畸變的控制方法。仿真研究結果表明，本文所提出的輸入電壓前饋控制策略可以有效地提高PFC變換器對輸入電壓的響應速度，同時減弱了PFC變換器輸入電流畸變的現象。

2 輸入電壓前饋環節分析

圖1 平均電流控制的Boost PFC變換器

下面我們將分析如圖1所示平均電流控制單相Boost PFC變換器的輸入電壓前饋環。在圖1中，假設電網輸入電壓為vin(t)=Vmsin(ωt)，其中Vm為輸入電壓峰值， 為輸入電壓角頻率。PFC變換器的效率非常高，且開關頻率遠大於電網頻率，則在電網工頻周期內變換器儲存或消耗的能量可以忽略不計。

因此，PFC變換器從電網上吸收的瞬時功率Pin和輸出的瞬時功率Po相等。按照定義，如果功率因數為1，則輸入電流是與電網電壓同相位的正弦波。設輸入電流為：iin(t)=Imsin(ωt)，則有：

Po=Pin=VmImsin2(ωt) (1)

由(1)式可知，PFC變換器輸出功率恆定時，若輸入電壓發生變化，則輸入電流必然隨著輸入電壓成反比例變化;另一方面，對於PFC控制系統而言，為了得到較高的功率因數，瞬時輸入電流與瞬時輸入電壓成正比關係。顯然，同時滿足上述要求是互相矛盾的。在傳統PFC控制算法裡，輸入電壓前饋環將輸入電壓有效值(或平均值)的平方作為正弦基準電流給定算法的分母，實現恆功率控制，控制器設計複雜且對輸入電壓的響應速度慢。此外，需將輸入電壓波形採樣作為輸入電流的波形給定，這樣勢必將輸入電壓的紋波帶入電流控制。如果電源外界工作環境較差，輸入電壓發生畸變或者輸入電壓採樣調理電路受到幹擾，就會使輸入電流的基準發生畸變，從而使輸入電流的正弦度受到破壞，最終影響PFC系統的輸入功率因數校正結果。

3 輸入電流過零畸變分析

Boost變換器的輸入電壓VB-in 為：

VB-in(t)=sign(sin(ωt)) Vmsin(ωt) (2)

由於基準正弦電流iref與變換器輸入電壓同相，因此，理想的變換器輸入電流iL為：