基于TMS320F28069的数字化PFC实现文档格式.docx

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关键词：

不间断电源，功率因素校正，数字控制，预测电流法

BasedonTMS320F28069digitalPFCimplementation

Abstract

AlongwiththedevelopmentoftheUPS,theutilizationrateofelectricEnergyismoreattention,amongthem80plusandEnergyStar,thePFvaluerequirementsareputforward.Activepowerfactorcorrection（APFC）technologyhasbecomeanimportantmeasureforthesuppressionofharmoniccurrentinpowerelectronicdevices.Alongwiththedevelopmentofthemicrocontrollerdeviceanddigitalcontroltechnology,powerfactorcorrectionofthedigitalimplementationwithitsflexiblecontrol,fastdynamicresponseandimmunityability,hasbecomearesearchdirectioninthefieldofpowerfactorcorrection.

ThispaperdescribesthedigitalPFCrealizationbasedonUPSplatform.Thispaperfirstsummarizestheresearchbackgroundandsignificance,relatedconceptsofpowerfactorcorrection,thebriefanalysisofthepresentsituationandthetendencyofthedevelopmentofpowerfactorcorrectiontechnology,summedupthemaincontentinthispaper;

ThenanoverviewofthetraditionalBoosttopologystructureandworkingprinciple,andDualBoostPFCisanalyzedontheworkingmechanism,thecontrolprincipleisintroducedtopredictcurrentmethod,predictivecurrentmethodofdigitalsolutionisputforward;

Beforetheexperiment,theDualBoostPFCbyPSIMsoftwaresimulationanalysis,throughthesimulationcanbevalidatedforparametersettingandcontrolalgorithm,provideguidanceforpracticaldesign;

FinallybasedonTMS320F28069,thecurrentmethodfortheforecastofthepresentedcontrolschemeisverified.Theexperimentalresultsshowthatthedigitalcontrolstrategyissimple,reliable,highpowerfactor（PF）,theadvantagesofsmallTHD,stablebusbarvoltagecanbeoutputwithinthescopeoffullpower.

Keywords:

UPS,powerfactorcorrection,digitalcontrol,predictivecurrentcontrolstrategy

第1章绪论

1.1课题研究的背景及意义

不间断电源（UPS）是一种AC\DC和DC\AC二级电力电子变换电路，实际应用中，前级通常采用功率因数校正（PFC）技术，后级为逆变器，实现DC\AC变换后输出恒压、恒频的交流电给负载供电。

半桥逆变器的成本低、抗不平衡特性良好，在中小功率范围被广泛使用[1]。

目前，大部分单相半桥式UPS系统的前级通常采用双PFC技术[2]。

两路PFC技术分别控制正负母线电压输出，其输入功率因数反应了UPS对电源的利用率，同时也是对市电电网的谐波污染的重要指标，研究适用于UPS系统的PFC技术显得尤其重要。

随着集成电子和数字控制技术的不断发展，高速、廉价的数字处理芯片（DSP）不断出现，数字控制与PFC技术的结合成为了可能。

相比传统模拟电路实现PFC的技术，数字控制具有一些模拟电路无法比拟的优点[3]。

数字控制PFC很好的解决了传统模拟PFC存在的不足，改善了PFC的控制性能，促进了PFC技术的发展。

研究和推广数字控制PFC具有很大的市场。

1.2功率因素校正概述

1.2.1功率因素的定义

在AC-DC电路中，输入电流严重畸变只有基波电流做功，即有功功率为：

（1-1）

其中，

为输入电压有效值；

为输入电流基波有效值；

为输入电压和输入电流基波的相位差。

视在功率定义为电压和电流有效值的乘积，即

（1-2）

，为输入电流有效值。

功率因素

定义为有功功率

和视在功率

之比

（1-3）

（1-4）

式中，

称为基波因素，标志输入电流的波形偏离正弦波的程度，而

称为位移因素，标志基波电流与输入电压的相位偏移程度。

可见，功率因素是由基波电流相移和电流波形畸变两个因素共同决定的。

低，表示用电设备的无功功率大，电能的利用率低，损耗大。

而v低，说明谐波含量大，电流波形严重畸变，将使电网受到污染[4]。

如何抑制和消除谐波对电网的污染，提高功率因数已成为电源界研究的重要课题。

PFC技术应用到新型开关电源中，已成为新一代开关电源的主要标志之一。

1.2.2功率因素与总谐波畸变THD

工程中，谐波含量的丰富程度通常用“总谐波畸变”（THD）来表示[5]。

总谐波畸变的定义为：

（1-5）

，为所有谐波电流分量的总有效值。

由式（1-4）、式（1-5），可得

与THD的关系为

（1-6）

（1-7）

由此可得，功率因素PF与THD的关系为

（1-8）

当

时，

则有

（1-9）

由式（1-9）可得PF与THD的关系如表1-1所示

表1-1PF与THD的关系

由上表可见，当

，THD<

5%时，

，因此要提高功率因素，就要从相位校正和谐波消除两个方面着手。

1.2.3功率因素校正技术

目前，功率因素校正技术主要分为两类：

无源功率因素校正（PPFC）技术和有源功率因素校正（APFC）技术[6]。

1、无源功率因素校正技术

无源功率因素校正技术是整流电路的整流桥和电容之间串联一个滤波电感，以增加整流二极管的导通时间，降低输入电流谐波含量，从而提高功率因素[7]。

无源功率因素校正技术具有电路简单、成本低、可靠性高、EMI小等优点,但由于工作在市电工作频率，电感、电容元件体积大，使得整个装置的体积重量较大，难以得到接近于1的功率因素，一般只能达到0.8-0.9之间。

2、有源功率因素校正技术

有源功率因素校正技术是通过对输入电流的控制，使其跟随输入电压波形而接近正弦波，使输入电流的

功率因素接近于1[7]。

有源功率因素校正技术的优点有：

能够较大地提高功率因素，输入电流的THD较小，宽输入电压范围和宽频带，体积小、重量轻，利用反馈可以使输出电压基本稳定不变，但有源功率因素校正技术也存在着以下缺点：

电路拓扑以及控制算法复杂、成本高、EMI高、开关损耗大等。

1.3功率因素校正技术的发展现状与趋势

随着开关器件的快速发展，有源功率因素校正技术被提出来并应用于实际中，而新的拓扑结构、控制技术也不断地结合到该技术当中。

有源PFC电路由分立元件组成的电路发展为集成电路，这大大提高了有源功率因素校正电路的研究与设计效率。

当前，单相PFC技术已相当成熟，而三相的PFC技术由于输出功率大、电路结构和控制策略较为复杂等方面的困难而仍在研究当中，尚未完全进入实际应用。

当前，一些大型的电源对大功率的PFC技术的需求越来越大，使得三相PFC成为功率因素校正技术近年来研究的热点[8]。

在单相的PFC技术方面，电路结构的简化、装置体积的减小、电路工作效率的提高、控制性能的优化等方面的改进将是其发展的趋势，而其研究的侧重点将是软开关技术的引入、开关的高频化、控制和检测的改进等。

在中等功率的变换装置方面，其电路结构的类型是较为丰富，而其研究的重点是对一些电路结构和控制方法的改进、新型电路结构的研究、多电平的变换技术、控制方法等。

对于大功率的变换电路，主要应用的是三相PFC技术,但三相PFC技术在电路结构、控制方法、可靠性等地方的困难，除应用已有的一些方法之外，还要针对三相PFC的特性[9]。

因此三相PFC技术的发展重点主要集中在新颖拓扑结构和控制方法的研究、软开关技术的应用研究、数字化实现的研究、三相单级PFC电路的研究等几个方面，而依赖于DSP技术、先进的控制技术和控制算法，实现高性能的三相PFC数字化变换器将是其发展的趋势。

1.4本文研究的主要内容

本文的主要内容如下：

（1）首先概述本文研究的背景及意义，简要介绍功率因素的有关概念，分析了功率因素校正技术的发展现状及其趋势；

（2）简要叙述传统BoostPFC拓扑及工作原理，进而分析DualBoostPFC拓扑结构及工作机理，然后介绍预测电流法的控制原理及其数字化实现；

（3）简要介绍PSIM仿真软件,计算主电路参数，然后通过仿真对电压电流波形、系统的性能、参数设置的合理性和控制方法的可行性进行验证；

（4）介绍软件设计并给出程序流程图，最后基于UPS平台进行实验验证，对实验结果进行分析并总结。

第2章BoostAPFC拓扑结构及控制策略

在有源功率因素校正电路中，主电路主要有Buck、Boost、Buck-Boost三种基本的功率变换器拓扑结构。

升压式Boost变换器[10]具有控制简单、PF值高、输出功率大、效率高等优点，应用广泛。

本文也以Boost电路为主，介绍基本工作原理及控制策略。

2.1拓扑结构及工作原理分析

传统的Boost拓扑结构如图2-1所示。

图2-1传统Boost拓扑结构

其工作原理为：

当开关

导通时，输入电压

加在电感

两端，对电感进行充电，此时二极管

反向截止，电容

给负载供电；

关断时，输出电压

大于输入电压

，二极管导通，输入电压和电感一起经二极管给电容

充电，同时给负载提供能量。

电路的工作波形如图2-2所示。

图2-2Boost变换器工作波形图

虽然传统的Boost拓扑具有结构简单、控制方法较为成熟等优点，但在大功率电路中，损耗随功率的增加而增加，使得电路的效率低下[11]。

为此，本文选择了结构简单、效率又高、控制方便的DualBoostPFC拓扑。

相对传统的BoostPFC，该拓扑少了导通二极管，大大降低导通损耗，这样效率就能得以提高。

DualBoostPFC拓扑结构如图2-3所示。

图2-3DualBoostPFC拓扑

其工作过程按输入电压的正负性可分为两个阶段：

当市电工作在正半周期时，等效电路如图2-4（a），SCR1开通，L1、T1、D1组成BoostPFC电路产生正母线电压。

当市电工作于负半周期时，等效电路如图2-4（b），SCR2开通，L2、T2、D2组成BoostPFC电路产生负母线电压。

（a）市电正半波等效电路（b）市电负半波等效电路

图2-4DualBoostPFC工作等效电路

图2-4（a）、（b）表明，该DualBoostPFC电路在每半个市电周期只有一个SCR和一个开关管T工作，后面分析、介绍其控制算法时，与传统BoostPFC的方法相同。

DualBoost与传统Boost相比，充分利用了输入电流电压的正负半波，形成了正、负直流母线电压，在开关管占空比相同的情况下，比单母线结构，其直流母线电压提高了一倍，并形成了市电的地线，此地线与后级的逆变系统共地，所以在市电输入端必须对L、N进行极性判断，接法正确才能正常启动PFC工作。

2.2BoostAPFC的控制策略

有源功率因素校正电路按电感电流是否连续可以分为三种工作模式：

连续导电模式（CCM）、不连续导电模式（DCM）和临界导电模式（CRM）[12]。

CCM工作模式：

额定负载下，在整个开关周期内，电感电流总是连续的工作模式[13]。

具有电流连续、纹波小、峰值小，功率因素高等优点，适用于大功率的场合。

该工作模式下的常用控制方法主要有峰值电流控制、平均电流控制和滞环电流控制三种[9]。

这三种控制方法的优缺点如下：

（1）峰值电流控制

峰值电流控制较为容易实现，但是由于占空比或大于0.5或小于0.5，这样容易产生次谐波振荡，为防止次谐波振荡的产生，必须进行斜率补偿以使得电路能稳定工作，此外，电感电流峰值与平均值的偏差会影响功率因素，电流峰值控制对噪声比较敏感。

（2）平均电流控制

平均电流控制的特点是电路的增益-带宽高，电流畸变率低于

，从而使PF值接近于1；

电感电流峰值与其平均值的误差小；

电路开关频率恒定，对噪声不敏感；

原则上适用于任意电路，并且可应用于CCM和DCM两种工作模式。

（3）滞环电流控制

滞环电流控制具有电路拓扑结构简单、容易实现、响应速度快、输入电流能很好跟踪输入电压波形、功率因素高等优点，但也存在缺点，主要有开关频率会受到负载和输入电压的影响，开关频率变化幅度大，产生较大电磁干扰，滤波器的设计只能按最低频率考虑，使得滤波器的体积和重量达不到最低设计。

总结对比以上三种控制方法，如表2-1所示。

表2-1三种电流控制方法的比较

DCM工作模式：

在整个输入电压和负载范围内，在一个开关周期内，转换器的电感电流总是不连续的工作模式[13]。

该工作模式优点是无须检测输入电压和电流，只需输出电压反馈，控制简单，无须PFC控制芯片，而缺点是电感和开关管电流峰值大，输入功率因素不高，只适用于较小功率、对谐波电流要求不高的转换器。

CRM工作模式：

在一个开关周期内，电感电流是临界连续的工作模式[13]。

该工作模式的主要特点是：

输入功率因素在理论上可达到1，在半个周期内，开关的导通时间是不变的，开关频率随输入电压相位而发生变化，当接近电压的峰值点时，开关频率可达到最低，平均开关频率随输入电压有效值和负载而变化，负载越小，平均开关频率越高，工作效率高，电流纹波大，EMI大，因此仅适用于较小功率场合。

2.3预测电流法控制原理及数字化实现

数字化控制PFC技术使得非线性控制、多环路控制等先进控制算法更容易实现。

传统控制算法中，平均电流法的电压、电流环均通过PI实现，其控制比较复杂、响应慢；

滞环控制算法的开关频率可变，电感和滤波器的设计较复杂。

预测电流法[14]克服以上两者的缺点，且容易实现数字化。

现在通过图2-4（a）对单个Boost电路拓扑的控制算法进行理论推导，几乎所有的PFC控制算法均涉及到电压环、电流环的设计，预测电流与其他控制算法的的不同主要是体现在电流环路。

2.3.1电流环设计

电流环路的设计中，必须对Boost电路做以下两个假定：

（1）电路始终工作在连续导通模式；

（2）开关频率固定且远大于输入市电频率。

由于开关的频率远大于市电频率，因此，在一个开关周期内，输入电压可以看做是不变的。

（a）开关管导通等效电路（b）开关管关断等效电路

图2-5开关管开通、关断等效电路

假设，开关周期为Ts，第n个开关周期的起始时刻为

，占空比为d（n），输入电压为Vin（t），输出电压为Vo（t）。

则当

时，开关管导通，如图2-5（a）所示,当

时，开关管关断，如图2-5（b）所示。

在n个开关周期进行分析，可得：

，

（2-1）

（2-2）

其中，iL为电感电流，开关频率要小于市电频率，在一个开关周期内，把输入电压Vin（t）、输出电压Vo（t）看成一个常数。

所以（2-1）、（2-2）可表达为

（2-3）

（2-4）

iL[t（n+1）]、iL[t（n）]、Vin[t（n）]分别简化iL（n+1）、iL（n）、Vin（n），稳态情况下Vo（t）基本保持不变记为Vo，整理公式（2-3）、（2-4）可得：

（2-5）

由式（2-5）推导出d（n）的表达式：

（2-6）

式（2-6）中的推导过程，

、

分别为第

个开关周期起始时刻电流，数字化实现中，二者分别代表第

个开关周期的平均电流。

第n个开关周期的占空比由电感参数L、开关周期Ts、输入电压Vin（n）、输出电压Vo、第n个开关周期输入电感电流平均值iL（n）、第n+1个开关周期输入电感电流平均值iL（n+1）共同决定。

CCM下iL（n）采样点设置在开关管导通区间的中点即为整个开关周期电流的平均值，电流环的控制思路为:

通过iL（n）、iL（n+1）的误差，反馈到占空比，达到iL（n）跟踪住给定正弦波电流iL（n+1）的目的。

iL（n+1）的实现通过电压环。

2.3.2电压环设计

预测电流法中电压环的设计与平均电流控制算法相同，控制策略如图2-6所示，输出电压Vo与输出电压目标值Vref的误差，通过PI调节器，输出Iref，输出电压稳定情况下，Iref为常数，在数字化平台上，ECAP中断获得市电过零点并置n=0（n为EPWM中断计数器），

即第n+1周期所要达到的预测电流平均值iL（n+1）。

图2-6预测电流BoostPFC数字控制框图

第3章数字控制PFC系统的仿真分析

3.1仿真软件介绍

本次仿真采用PSIM软件[15]。

PSIM全称为PowerSimulation,由SIMCAD和SIMVIEM两个软件组成，其包含有主电路元件库、控制单元库、频率分析功能、良好的兼容性、可进行如风车模型、太阳能电池的各种仿真，是一款能够进行电力电子、电机控制等仿真的软件,PSIM具有快速的仿真性能、友好的界面以及波形分析析等功能，为应用电子电路的分析、控制系统的设计以及电机驱动控制的研究等提供强大的仿真环境，该软件不只是单独的一个回路仿真，其还可以跟其他仿真软件进行连接，这无疑为用户的应用开发提供高效的仿真环境，如在开发电机驱动领域，主电路及其外围电路可用PSIM实现，而控制部分则可以用MATLAB/Simulink实现，电机部分借助MagNet、JMAG电磁场分析软件来实现，然后进行连接解析，从而实现更加全面而高效的仿真系统。

3.2PFC数字控制系统的仿真分析

控制控制PFC系统的设计指标如下：

●逆变电源功率：

3kVA

●输入交流电压：

220±

20VAC

●输出直流母线电压：

±

360VDC

●输入电流THD<

5%

●额定功率是PF=0.99

●具备输入过/欠压保护、输出过压、过载保护

仿真不但可以验证控制算法的可行性，而且能验证电流结构以及参数设计的合理性，对实验研究具有指导作用，从而提高系统设计的效率，缩短设计的周期。

3.2.1主电路参数的设置

（1）升压电感的计算

电感具有能量的传递、储存和滤波的作用，决定电流纹波的大小[16]。

因此如何选取好电感对电路的性能、工作效率以及校正是否理想起着重要的作用。

选取主电路的电感要考虑输入电流峰值这一因素。

当交流输入电压最低时，电感电流有最大峰值：

（3-1）

此时的占空比D为：

（3-2）

当电感电流的纹波控制在20%时，则波动值

为：

（3-3）

则电感值L为：

（3-4）

则每一侧的电感值为0.33mH,即

=

=0.33mH

（2）输出电容的计算

输出电容的选择要考虑开关频率、电流纹波、二次谐波电流、输出电压、输出电压纹波、维持时间，其中维持时间指的是在输入能量截止时输出电压还可以保持在一定的值，维持时间一般在15ms-50ms之间取值。

取维持时间为25ms,则输出电容为：

（3-5）

（3）功率元件的选择

当开关管导通时，二极管的反向电压为输出电压，开关管关断时，开关管的电压为输出电压。

所以选取二极管和开关管时，要保证额定电压和电流要大于输出电压和电感电流。

此外功率管和二极管电流要有1.5-2倍的裕量，而电压要有1.2-1.5倍的裕量。

3.2.2仿真结果与分析

如图3-1所示为基于PSIM软件的DualBoostPFC的仿真电路。

电路中的参数根据上面的技术结果并做适当的调整。

其中DLL模块相当于微控制器模块，可实现PFC的控制算法。

图3-1DualBoostPFC电路仿真图

（1）输入电流波形分析

当未加入PFC校正时，交流输入电压和输入电流的波形如图3-2所示。

从图中可以看出，当没有加入PFC校正时输入电流为尖峰脉冲波形，电流波形严重畸变且谐波分量大，此时系统的功率因素只有48.4%，这将会对电网造成严重的污染。

图3-2未加PFC校正时输入电压和电流的波形

当加入PFC校正后，交流输入电压和输入电流的波形如图3-3