基于Boost拓扑平均电流模式的APFC研究

杨徐路 顾国帅 杨振 牟昱东

摘要：数字化功率因数校正技术是当前时代电力电子领域中的几个重要发展方向之一。本文基于 Boost拓扑平均电流模式下的数字化功率因数校正控制方案，完成了控制系统的软硬件设计与仿真验证，搭建了基于MC56F8013的实验平台。实验结果表明：该方案满足系统的功率因数校正设计要求。

关键词：功率因数校正;数字化;Boost

中图分类号：TM46 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）10-0132-02

0 引言

近些年来，伴随电力电子技术的迅猛发展以及电力电子元器件本身的技术突破，电力电子产品在众多领域得到了广泛的应用。同时，由于电力电子技术会带来诸如电网侧谐波污染、功率因数降低等问题，国家出台了一系列标准以对降低谐波电流和功率因数校正提出强制性要求[1]。在此背景下，一方面，因数字化APFC对比模拟PFC技术有明显价格优势、可实现更为复杂的算法、更灵活方便，许多电力电子相关行业研究人员开始投身该技术的研究;另一方面，随着数字控制技术的日趋成熟，PFC技术的数字化也逐渐成为可能[2]。

1 数字化PFC控制方案

本文基于平均电流控制策略，在Boost升压电路拓扑中应用PFC电路，可在较宽范围的电压输入条件下（90-265V）保持后端输出电压及功率的恒定并取得良好的PFC功率因数校正效果。基于DSP Frescale MC56F8013的数字化控制方案如图1所示。

功率因数校正系统主要包括硬件和软件两部分的设计内容。硬件层面上，通过完成主功率电路设计、数字信号处理芯片的控制回路设计、抗干扰设计、驱动电路设计以及故障保护电路设计等，实现了系统的能量传输需求，保证了信号的完整性和工作的稳定性。软件层面上，本文围绕数字化控制方案进行设计，与传统的模拟功率因数校正芯片不同，数字化功率因数校正功能主要是依靠其内部的控制算法来实现，其算法工作原理如下[3]：系统首先进行电流反馈控制基准信号的合成，主要由三部分组成：完成系统主回路輸出电压U0的采样，将采样结果储存至ADC模块中的ANA1寄存器，与设置的基准电压U0*比较后产生相应的误差信号Uerr，并将此误差信号送入电压放大器进行处理，其输出结果将作为电流反馈控制基准信号的一路输入，用来稳定输出电压信号;完成系统输入端电压Uin的采样，将采样结果存储至ADC模块中的ANB0寄存器，其值作为控制基准信号的第二路输入，用于作为电流波形的基准，以保证输入电流信号的正弦性;同时为了达到系统恒功率输出的目的，加入了第三路输入信号：电源电压有效值平方的倒数，从而保证在宽范围电压供电时系统输入电压的前馈作用，以实现输出功率的恒定。以上信号作为电流反馈控制基准信号乘法器的三路输入，经合成后将输出信号Ierr与存储在ANA0寄存器中的输入电流实测值IL比较，并将其差值送入电流放大器进行处理，将输出结果Iout送入下一级的PWM比较器中，产生相应的控制MOS通断的PWM脉冲，从而实现系统的数字化PFC功能[4]。

2 硬件电路设计

电路输入电压有效值范围为90V至265V，额定输入电压220V，频率50Hz，输出电压为400V，开关频率为100KHz，输出功率300W，效率为90%，且输出电压纹波控制在3%输出电压以内。

参照参考文献设计要求，按照上述参数，选择电感值828uh，输入电容选择0.824μF，输出滤波电容选择330μF/450V的电解电容，开关管选择意法半导体公司的IRF840，额定电流为8A，额定电压为500V;二极管则采用了恩智浦半导体公司所生产的反向恢复时间仅为17.5ns的超快恢复二极管BYV29FX，其额定电流为9A，反向击穿电压为600V，不仅满足系统的设计要求，还极大降低了因反向恢复现象所造成的功率损耗。信号处理器采用FREESCALE公司的MC56 F8013，其基于增强型内核56800 E系列，内部总线时钟可达32MHz。

3 软件设计

软件设计包括主程序算法和定时中断服务子程序两部分。主程序可实现功率因数校正系统初始化、软启动以及各类故障点的保护工作等。定时器中断服务子程序主要用于实现对系统中所需控制量的采样及其相应的A/D转换、前馈电压值的计算、电流环反馈控制基准信号的合成，从而实现电压环和电流环相应的控制工作[5]。本算法采用单中断服务子程序的结构，以防程序运行中可能出现的嵌套问题，从而实现系统的稳定运行。

主程序首先进行功率因数校正系统及其各类变量的初始化工作，主要包括系统中各类变量的定义及赋初值工作，ADC、GPIO、PWM及定时器等模块的初始化，以及中断服务功能等的初始化工作，为后续的程序运行提供保证。当程序开始运行后，首先进行软启动环节来保证电路电流电压的缓慢增长，以维持系统的稳定性。程序运行时会循环检测系统中的各类故障标志位，当出现过流、过压等异常状态时，程序将迅速清零PFC使能位并拉低PWM输出，从而完成系统的保护功能。

中断服务子程序的功能主要包括完成所需控制量的采样及其相应的A/D转换、前馈电压值的计算和电流环反馈控制基准信号的合成，从而完成电压环和电流环的控制工作，实现系统功率因数校正的效果[6]。

4 仿真及实验结果分析

4.1 Matlab数字仿真

根据上述内容，利用Matlab对平均电流CCM模式下的功率因数校正电路进行仿真建模，仿真得到的输入电压、电流结果如图2所示。

观察仿真结果可知，输入电流跟随输入电压，两者之间相位一致，呈现较理想的正弦波形，此功率因数校正电路的工作效果较为理想。

输出电压的纹波为正弦波，其频率是输入电压的两倍，在保持相同的输出电容容值时，输出纹波电压随负载的增加而增加，但无论负载如何变化，其纹波电压的上述特性不会改变。直流母线输出电压平均值约维持在400V，纹波电压的峰峰值也在20V以下，所占比例在3%的要求以内，设计满足要求。

4.2 实验分析

根据前面分析设计，制作了300W数字化功率因数校正电路样机，其校正效果如图3所示，输入侧电流能够很好的跟随输入电压，功率因数校正效果显著，达到设计要求。PFC系统的输出电压纹波系数约为1.5%，其值满足3%以内的设计要求。在整个输入电压范围内对系统进行测试，输入电压在120V-265V区间时，输出电压可维持在406V左右，设计满足要求。

5 结语

本文主要围绕飞思卡尔公司的数字控制器芯片MC56F8013，提出了在Boost拓扑中基于平均电流CCM模式下PFC功率因数校正电路的数字化设计方案，分析了其硬件结构设计及软件程序流程，在此基础上利用Matlab进行了系统仿真并搭建了实验样机，仿真及实验结果均表明该数字系统具有良好的功率因数校正效果，有着较好的市场前景。

参考文献

[1] 张占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计[M].北京：电子工业出版社，2002.

[2] 李杭军.功率因数校正的数字控制[J].计算机工程，2008，34（B09）：159-162.

[3] Skanda V.Power Factor Correction in Power Conversion Applications Using the dsPIC DSC[J].Microchip Technology Inc.1-14，2007.

[4] Barry Mather， Bhaskar Ramachandran and Dragan Maksimovic，A Digital PFC Controller without Input Voltage Sensing[J].IEEE Applied Power Electronics Conference （APEC） pp.198-204，2007.

[5] 王晗.大功率单相数字APFC的研究与实现[D].上海交通大学，2009.

[6] 武香群.基于DSP控制的高频开关电源PFC研究与设计[D].天津大学，2007.