无电压检测的PFC双环控制系统

许 敏，张有林，郭清风，米雪涛

（珠海格力电器股份有限公司制冷技术研究院，广东珠海519070）

1 引言

传统的BOOST型PFC控制电路，如图1所示，一般采用乘法器原理。输入信号包括前馈输入电压检测、电流检测及反馈输出电压检测。此种PFC控制系统实现较复杂。在主电路上增加各信号检测电路，增加了成本及电路面积。本文针对此问题分析并提出了无需输入电压检测电路及输出反馈电压检测电路，只检测输入电流的情况下，在BOOST型连续电流模式（CCM）功率因数校正（PFC）中实现电压环与电流环的双环控制策略及其数字化，并在DSP平台上进行了实验验证。

无需输入电压检测的PFC技术在三相PFC系统的研究［1－2]，一般是通过电流估算出输入电压。在单相PFC上主要有非线性载波控制技术［3],单周期控制技术作为一种大信号、非线性PWM控制技术［4－6]，具有较快的动态响应速度和输入扰动抑制特性，其基本控制思想是通过控制开关器件的占空比，使每个开关周期中开关变量的平均值严格等于或正比于控制参考量。单周期PFC电路无需传统PFC电路中的乘法器和输入电压采样，大大简化了PFC电路的设计。因此本方案在无输入电压检测的电流环设计上采用数字实现的单周期功率因数校正技术。图1所示为普通乘法器原理PFC。

图1 普通乘法器原理PFC

在电压环的控制上采用无需反馈输出电压检测的数字控制技术。此技术从检测的输出电流中提取估算出输出直流电压信号。在数字化实现中，控制简单，输出电压的估算精度由电流的检测精度确定，可以很好地满足大部分的应用场合。

2 无输入电压检测电路的电流环

2.1 单周期PFC技术原理

如图2所示为单周期实现的PFC变换器控制原理框图。图2中，输出电压反馈还是采用电阻分压的采用电路。

图2 无输入电压检测的单周期PFC控制

单周期PFC变换器的控制目标就是使图2中的变换器输入电流跟随整流后变换器的输入电压波形，同时又要保持输出电压稳定到给定值。

假定控制系统已经满足PFC变换器输入电流与输入电压成比例且相位一致，整个变换器可以等效为一个电阻Re，于是可以得到：

式中：Re为PFC变换器的等效电阻，ig为电感电流瞬时值，ug为整流器输出直流电压瞬时值。

对于BOOST型PFC变换器来说，在一个开关周期内，其输入电压ug、输出电压Uo和开关管占空比D的关系为：

所以可以得到：

定义Rs为PFC变换器中等效电流检测电阻，则有：

式中：T为开关周期。

可以构造以下控制方程组：

公式（6）即为单周期PFC的控制方程组，通过控制系统实现u1（t）和u2（t），并对u1（t）和u2（t）进行比较可以获得开关器件的开关占空比，从而可以实现单周期功率因数校正。

2.2 单周期PFC数字实现

单周期功率因数校正方案的核心是具有复位功能的高速积分器，利用硬件电路比较容易实现，而高速积分复位器利用数字算法实现起来相对较复杂。

由于数字控制系统中系统采样频率远高于输入电流的频率，在一个开关周期中可以采样多次。此单周期PFC的数字化中采用单周期单采样（SSOP）的信号采样方式。即在一个开关周期内只进行一次信号采样。一般情况下系统的采样频率与开关频率一致，因此可认为在一个开关周期内，数字控制系统得到的电感电流ig以及调节电压um为恒定值，从而公式（6）可进行如下离散化处理：

由于公式（7）中的um（nT）在每个开关周期内的值是不同的，用数字方法计算公式（7）需要占用一定的DSP资源。

采样信号由于受开关噪声的影响在开关点上经常会出现高频振荡，因此需要采取合适的采样控制算法来避开在开关点附近进行信号采样。通过软件计算出的开关信号占空比来确定开关器件的导通时间和关断时间，然后根据开关器件的导通时间和关断时间计算出一个最佳的信号采样点以进行信号采样。通过采取这样的采样控制算法，可以得到一个较好的采样信号，进而保证了功率因数校正效果。

3 无输出电压检测电路的电压环

3.1 母线电压反馈信号估算原理

在BOOST型PFC中，主电路工作于两种工作模式。Ⅰ：IGBT导通电感储能，二级管关断模式；Ⅱ：IGBT关断，二极管导通，电感放能模式。在模式Ⅰ中IGBT导通，电感两端直接和输入电压相连。此时：

式中：uL1为模式Ⅰ中电感上的电压，ug为整流器输出直流电压瞬时值。

电感两端电压也可以通过电感上电流的变化率得到：

式中：iL1为模式Ⅰ中电感电流值。

在模式Ⅱ中IGBT关断、二极管导通，电感通过二极管进行续流。此时：

式中：uL2为电感在模式Ⅱ下的电压，Uo为输出电压。

将公式（10）、（12）代入公式（11）得到：

从上式可以看出，输出电压可以通过计算电感L在两种电路工作模式下的电压变化率得到，如图3所示。

图3无输入与输出电压检测电路PFC控制

图3为本方案完整的系统原理图，包括了不需要输入电压检测电路的单周期方式电流环，以及不需要输出电压检测电路，采用输出电压估算的电压环。

3.2 输出电压反馈信号估算的数字实现

与上述单周期PFC数字化所采用的单周期单采样（SSOP）不同，在直流母线电压的估算上，在一个开关周期需采样3到4次。以采样4次为例，式（13）可表示为：

式中：iL11、iL12分别表示在模式Ⅰ，电感电流增大期间第一次电流采样值和第二次采样值，iL21、iL22分别表示在模式Ⅱ，电感电流减小期间第一次电流采样值和第二次采样值。Δt1、Δt2分别表示模式Ⅰ期间两次电流采样的时间差，以及模式Ⅱ期间两次电流采样的时间差。

在具体数字实现上应通过算法确定两次采样的时间差。应重点考虑以下因素：①采样点与功率器件开关的时间点，采样信号很容易受开关信号的干扰，需要采用合适的算法；②IGBT的最大占空比与最小占空比；③IGBT驱动电路以及电流采样电路的延时。另外，上述为去掉输入电压采样而采用的单周期PFC数字化方案中一周期需采样输入电流一次可通过此4次电流采样并进行平均而得，以提高精度。④也可通过3次采样方式获得相关信息。此时第二次采样点应在功率器件关断前，电感电流的峰值处。此时应特别注意时间延时问题。

4 实验验证

采用DSP芯片TMS320F28069，设计了一套采用单周期的电流环，输出电压估算的电压环数字控制系统，控制系统主要参数如下：交流输入电压90～260VAC，功率器件开关频率20kHz，输出直流母线电压控制为350VDC，变换器BOOST电感选取3mH，输出滤波电容选取1360μF／450V。

此双环PFC数字控制系统交流输入电压约为220VAC，输出功率约为1500W，图4所示为交流侧输入电压和输入电流的实验波形，图5为输出直流母线电压和电感电流实验波形。

图4 输入电压、电流实验波形

图5 输出电压与电感电流实验波形

由上述实验波形可见，输出直流母线电压可以稳定控制在350V左右，并且电压纹波较小；输入电流波形与输入电压波形相位一致。采用本文提出的无电压检测PFC数字控制方案取得了较好的功率因数控制效果。

5 结论

本文从节省成本角度提出了取消输入电压检测电路及输出电压检测电路且保持电流环电压环，基本不降低性能的控制方案。此方案电流环采用单周期PFC控制的数字化方法，电压环中通过电流信号估算出输出电压反馈。通过设计的基于TMS320F28069 DSP的数字控制系统对所提出数字控制方案进行了实验验证，实验结果表明了该数字控制方案的正确性及可行性。该方案对于成本敏感型的行业具有很好的应用前景与实用价值。

［1] T Ohnuki，O Miyashita，P Lataire，G Maggetto.Control of a Three Phrase PWM Rectifier Using Estimated AC－side and DC－side Voltages［J] .IEEE Trans.Power electronics，1999，14（2）：222－226.

［2] Dong－Choon Lee，Dae－Sik Lim.AC Voltage and Current Sensorless Control of Three Phase PWM Rectifiers［C] .IEEE PESC proc，2000.

［3] D Maksimovic，Y Jang，R W Erickson.Nonlinear Carrier ControlforHighPowerFactorBoostRectifier［J] .IEEE Trans.Powerelectronics，1996，11（4）：578－584.

［4] IR1150S Data Sheet－ International Rectifier Corp.，2005.

［5] PFC Converter Design with IR1150 One Cycle Control IC，AN1077［Z] .International Rectifier Corp.，2005.

［6] K Mark Smith Jr，Zheren Lai，Keyue M Smedley.A New PWM Controller with One－cycle Response［J] .IEEE Trans.on Power Electronics，1999，14（l）：142－150.