Boost PFC变换器数字控制研究*

陶海燕，钱承山，毛 鹏，孙 鹏，李 俊

(南京信息工程大学信息与控制学院，南京210044)

单周期控制技术OCC(One-Cycle-Control)是一种新型的非线性控制技术，自上世纪90年代提出以来，得到了国内外学者的广泛关注［1］。文献［2］将单周期控制技术拓展应用到Boost PFC变换器，并建立了大信号平均值模型，用于研究变换器的输入特性;在此基础上，研究了基于单周期控制的三相高功率因数整流器［3］和三相有源滤波器［4］，进一步证实了该技术的通用性和良好控制效果;文献［5-6］结合PFC变换器，研究了单周期控制系统的稳态和动态性能，推导了系统稳定运行的条件。

近年来，随着数字信号处理器(DSP)性能的提高和成本的降低，在电力电子变换器领域采用数字控制方案已经成为一个重要趋势［7-8］。相对模拟控制，在可控因素较多、要求实时反应速度更快、要求控制精度和可靠性较高的应用中，数字控制更易实现复杂的控制方法，而且可灵活地修改软件设计来实现多方面应用［9］。

本文结合Boost PFC变换器，对于基于数字实现的单周期控制方案进行研究。通过建立仿真模型以及搭建实验平台，对控制方案进行仿真和实验验证。仿真和实验结果均证明了数字控制方案能够达到较好的功率因数校正效果。

1 单周控制Boost PFC变换器工作原理

单相Boost整流器拓扑结构如图1所示。假设电路工作在CCM(Continuous Current Mode)模式下;输出滤波电容C足够大，在每个开关周期内，输出电压uo视为恒定;开关频率远远大于电源电压工频，在每个开关周期内，可将输入电压uin看作是恒定。

图1 单相Boost整流器功率电路

根据功率因数的定义可知，要实现功率因数校正，必须满足输入端呈现纯阻性，即

式中，uin为一个开关周期内输入电压平均值，Re为反映负载大小的等效电阻，iL为电感电流平均值且等于输入电流平均值iin。

在一个开关周期内，输入电压uin和输出电压uo依据电感伏秒平衡，即:

式中，doff为开关周期内开关管的关断占空比。将式(1)代入式(2)可得

那么

根据式(4)只需满足doff∝iL，就能使输入端呈现纯阻性，实现PFC。为了确保输出电压uo稳定在直流电压给定值uoref附近。则需要将式(4)进行改进，先对式(3)两边同时乘以Rs，得

再令电压控制器输出Um为

其中Rs为电流采样电阻。结合式(5)和式(6)得:

根据式(7)的关系在一个开关周期内，调节Um为恒定值，再通过以RsiL为调制波与以Um为幅值的三角载波相比较就可获得doff，从而实现变换器的输入电流跟随整流后的输入电压波形，同时又能保证输出电压稳定在给定值。

2 单周控制Boost PFC数字实现方案

根据以上分析，式(7)为单周期控制核心方程。根据式(7)可得到数字控制的具体实现过程:只需在每个开关周期内对电流进行一次采样，然后与幅值为Um的三角载波进行比较，得到开关关断占空比doff，来实现功率因数校正。

数字实现的硬件平台主要由Boost主电路、输入电流和输出电压取样及调理电路、TMS320F28027 DSP控制电路以及驱动电路组成。图2为数字控制的单周期控制Boost PFC原理框图。

图2 数字控制单周期控制Boost PFC原理框图

电流取样选用25 mA/25 A的电流传感器。由于DSP的工作电压为0～3.3 V，为了确保DSP正常工作，需要将传感器输出的小电流信号转换为电压信号，再转换为0～3.3 V的单极性信号送入DSP的A/D转换口，同样输出电压采样值需经差分调理电路调节至0～3.3 V范围再送入A/D转换口。

DSP控制电路是整个控制的核心，产生开关调节PWM信号，该信号经过驱动电路放大后驱动开关器件。

3 系统软件设计

TMS320F28027内部包含4路EPWM模块和16路A/D通道，可以方便实现单周期控制算法。以EPWM2为例对EPWM模块功能加以说明:EPWM2模块有一个独立计数器，可以完成载波计数功能，实时更新计数器的值;EPWM2模块包含比较寄存器CMPA和CMPB;两个硬件输出管脚EPWM2A和EPWM2B，可对输出状态进行配置。

本文选择EPWM2A输出管脚产生PWM驱动信号，当EPWM2A配置为递增递减模式时，PWM输出模式的配置如下:(1)当递增计数时计数值等于比较寄存器值，输出高电平;(2)当递减计数时计数值等于比较寄存器值，输出低电平。

3.1 电流采样点的选取

在一个开关周期内需要采样电感电流iL和输出电压uo，而数字实现方案的关键就在于采样电感电流平均值，如果采样误差较大，将会影响控制算法实现的效果，所以电流采样时刻的选取很关键;而对于低频信号的电压量，其数值增量小，采样点的选取没有那么严格，因而在电流采样时刻可同时对输出电压进行采样。采用递增递减模式时，有4种情况可以触发A/D转换，分别是:(1)计数值等于零;(2)递增时计数值等于比较寄存器值CMPR;(3)计数器值等于周期寄存器值PRD;(4)递减时计数值等于比较寄存器值。为了更准确地获取一个开关周期Ts内的电流平均采样值，采样点可设在一个周期内电流上升的中间时刻，故这里选择(3)。如图3所示为电流采样及递增递减模式时产生的PWM波形，再根据图3可得到占空比公式:

图3 电流采样及递增递减模式时产生的PWM波形

3.2 软件流程

软件采用模块化设计，由主程序和中断子程序组成。其中图4(a)为主程序流程图，图4(b)为中断服务子程序流程图。

主程序主要对软件模块和PIE中断初始化，为各个中断分配PIE中断向量，各变量赋初值。初始化完成后，进入主循环实时查询A/D采样工作状态，如果A/D不工作，则需要等待EPWM2的周期匹配事件触发ADC转换信号，同时进入EPWM2的周期中断，从ADC结果寄存器中读取A/D采样值，标志ADC转换完成，保证A/D转换的完整性。

EPWM2中断服务子程序主要读取A/D采样值，进行电压环的PI运算，完成单周期控制算法，得到所需的开关波形。由中断程序可以计算出开关关断占空比doff，doff是由比较寄存器中的值决定。

图4 软件设计流程图

4 仿真验证

为了验证数字单周期控制方案的可行性，基于Psim软件进行了仿真分析，又考虑到在实验电路验证时由于示波器条件的限制，无法获得相应的调制波与三角载波交截产生的PWM波形图，因此需要建立如图5所示的动态链接库DLL(Dynamic Link Library)数字仿真模型，DLL模块允许用户用C语言编写PI调节器程序，编译后生成DLL文件，由Psim调用DLL程序进行仿真。DLL模块的输入端采样电感电流和输出电压，通过软件设计逐步调整数字PI调节器的比例积分参数。

图5 基于DLL单周期控制Boost PFC变换器数字化仿真模型

仿真和实验所用的参数相同，其中输入电压uin=50 V/50 Hz，开关频率fs=20 kHz，L=5 mH，K=0.013 5，Rs=0.1，K、Rs分别为输出电压反馈系数和输入电流采样系数，输出电压给定uoref=100 V。

4.1 对输入电压、输入电流和输出电压验证

图6(a)为整流后的输入电压和电流波形，图6(b)为输出电压波形。

从仿真结果可以得出采用数字单周期控制方案，变换器的输入电流能够较好地跟随整流后的输入电压波形，且输出电压基本保持恒定。

图6 仿真波形

4.2 对调制波iLRs、PWM波形的验证

调制过程相关波形如图7和图8所示。图7为调制波iLRs仿真波形，图8为三角载波与调制波交截生成的PWM波形。

图7 调制波iLRs仿真波形

图8 三角载波与调制波交截生成的PWM波形

从图7的仿真结果可以看出在每个开关周期内，调制波iLRs的采样值与三角载波进行交截后得到PWM波形，来控制开关的导通和关断。图7和图8的仿真结果验证了上述单周期控制理论分析的正确性。

5 实验验证

在仿真分析的基础上，以TMS320F28027为控制核心，搭建单相Boost PFC变换器实验平台，进行实验验证，图9为实验硬件电路。

图9 实验硬件电路

通过实验得到了如图10所示的负载为200 W的输入电压、输入电流和输出电压的实验波形，其中2通道为输入电流波形(1.00 V/div)，3通道为输入电压波形(500 mV/div)，4通道为输出电压(10.0 V/div)以及实验数据如表1。

图10 输入电压电流和输出电压实验波形(负载200 W/50 Hz)

表1 系统实验数据

由实验波形图10所示，输入电流正弦度较高且基本与输入电压同相位，输出端直流电压稳定在100 V，与图6中的仿真结果基本一致。实验结果表明实验样机具有较好的输入输出性能，能够实现良好的功率因数校正。

从表1可以看出，在实验所测的功率范围内，功率因数始终保持较高水平，而且随着输出功率的增大输入电流THD值减小。仿真和实验都表明本文提出的单周期PFC数字化方案的优良。

6 结论

本文给出了适用于单周期控制Boost PFC变换器的数字实现方案，并采用Psim仿真软件的动态逻辑库DLL模块对数字方案进行仿真。在仿真的基础上，搭建了一台基于DSP TMS320F28027控制的单周期控制Boost PFC变换器的实验平台，并进行实验验证。仿真和实验结果表明，单周期数字控制的功率因数校正方案能够获得较好的稳态电气性能，有效地抑制了谐波对电网的污染。

［1］Keyue M Smedley，Slobodan Cuk.One-Cycle Control of Switching Converters［J］.IEEE Transaction on Industrial Electronics，1995，10(6):625-633.

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［3］Yan Li，Gshutuan Zhan，Dongnei Wang.Simulation of Three-Phase High Power Factor Converter Based on One-Cycle Control［C］//IEEE Conference Publications，2012:1611-1613.

［4］Xue Yuqiang，Lian Ruihong.A Control Strategy of Three-Phase Active PowerFilterwith UnityPowerFactor［C］//IEEE Conference Publications，2011(2):252-255.

［5］吴小华，赵敬辉.单周期控制的高功率因数整流器稳定性分析［J］.电力电子技术，2008，42(6):8-10.

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