1. 工作原理
輸入交流電壓和電感電流，以及PFC母線電壓經(jīng)過(guò)采樣和濾波由DSP的ADC口采樣到DSP內(nèi)，然后通過(guò)一個(gè)電壓反饋補(bǔ)償器Gcv（S），輸出電壓環(huán)的反饋信號(hào)Vc，然后通過(guò)一個(gè)乘法器單元將電壓調(diào)節(jié)器的輸出Vc與輸入電壓的全波整流波形相乘，得到整流橋后電流的指令值Iref。正是該乘法器保證了輸入電流與輸入電壓同相且波形相同，使電源輸入端的功率功率因數(shù)為1，它是實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正功能的關(guān)鍵。在圖1所示的電路中，PFC參考電流合成器還包含了一個(gè)輸入電壓全波整流值的平方電路和除法器，主要是為了提高控制系統(tǒng)對(duì)輸入電壓變化的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，它對(duì)于寬輸入電壓范圍和輸入電壓波動(dòng)較大的應(yīng)用場(chǎng)合更為必要，我們將上面的電路框圖用傳遞函數(shù)框圖表示：
圖32 PFC傳遞函數(shù)框圖
其中：Gcv(s)為電壓環(huán)的補(bǔ)償函數(shù)，Gci(s)為電流環(huán)補(bǔ)償函數(shù)，Vm為載波幅值，Gigd(s)為電感電流對(duì)占空比D的函數(shù)，ZL(s)為電感電流到輸出電壓的阻抗，Hi(s)為電流環(huán)采樣函數(shù)，Hv(s)為電壓環(huán)采樣函數(shù)。
在三相PFC的數(shù)字控制當(dāng)中，可以采用Microchip雙核dsPIC33CH系列，由于其內(nèi)部具備雙核CPU，所以整個(gè)控制我們分配在兩個(gè)內(nèi)核中，主核Master完成電壓環(huán)以及保護(hù)和快速采樣濾波計(jì)算等環(huán)節(jié)，從核Slave完成電流環(huán)和發(fā)波的功能。
雙核示意圖如下：
圖33dsPIC雙核框圖
雙核系列的dsPIC具有如下特點(diǎn)：
- 主核和從核分別獨(dú)立工作；
- 在應(yīng)用開(kāi)發(fā)階段可以分別編程和調(diào)試；
- 主核和從核都有它們自己的中斷控制、時(shí)鐘發(fā)生器、端口邏輯和外設(shè)資源；
- 主核最大工作90MIPS，從核最大工作100MIPS。
2. PFC電流環(huán)
圖34 PFC電流環(huán)框圖
在Vienna電路中，兩組PFC母線電容對(duì)輸入等效為以中點(diǎn)為基準(zhǔn)的兩個(gè)并聯(lián)電容組，三相二極管電流對(duì)其充電，對(duì)輸出而言其又等效為兩個(gè)串連的電容，對(duì)負(fù)載供電，所以每相流入PFC電容電流和流出PFC電容電流的關(guān)系為2/3。
故三相Vienna拓?fù)涞闹麟娐穫鬟f函數(shù)為：
L_fulload為滿載情況下PFC電感值，RL為電感串聯(lián)電阻。
我們知道了主電路的傳遞函數(shù)后，其他比如AD增益（包括采樣、保持、轉(zhuǎn)換）、硬件采樣電路、Fm等傳遞函數(shù)都可以表達(dá)出來(lái)了。這樣除了補(bǔ)償器之外的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)都清楚了，計(jì)算或者仿真出除補(bǔ)償器的Bode圖，根據(jù)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)的Bode圖，設(shè)計(jì)出合理的補(bǔ)償器。
在數(shù)字電源控制中，一般采用的補(bǔ)償器有PI控制器、SZSP控制器、2P2Z控制器、3P3Z控制等。在開(kāi)關(guān)頻率以下，電流環(huán)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為一個(gè)單極點(diǎn)系統(tǒng)，可以將補(bǔ)償函數(shù)設(shè)計(jì)為一個(gè)PI控制系統(tǒng)。
由于PFC電感在不同的直流偏置下感量變化非常明顯，nFeSi材質(zhì)在正弦電流過(guò)零點(diǎn)和峰值附近相差近3倍，為了能提高過(guò)零點(diǎn)的低頻增益和帶寬，同時(shí)保證峰值附近的穩(wěn)定，我們需要實(shí)時(shí)的調(diào)節(jié)電流環(huán)的相關(guān)參數(shù)，這樣能時(shí)時(shí)的改善帶寬和增益。
3. 電壓環(huán)
圖35 PFC電壓環(huán)
PFC電流內(nèi)環(huán)和功率級(jí)形成一個(gè)電流源，因此PFC電壓環(huán)的被控對(duì)象在低頻可以等效為驅(qū)動(dòng)電容的電流源，在100Hz頻率附近，電壓環(huán)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為一個(gè)單積點(diǎn)系統(tǒng)。PFC電壓環(huán)在確保當(dāng)負(fù)載變化時(shí)輸出電壓穩(wěn)定的同時(shí)，帶寬應(yīng)該足夠低，從而使頻率大于100Hz時(shí)的環(huán)路增益足夠低，以減小PFC輸出電容上的100Hz電壓紋波對(duì)PFC輸入電流的調(diào)制作用，否則該調(diào)制作用會(huì)引起輸入電流的嚴(yán)重畸變，當(dāng)然過(guò)低的電壓環(huán)帶寬回導(dǎo)致電壓動(dòng)態(tài)速度過(guò)慢，在THD設(shè)計(jì)滿足要求的情況下，可以再調(diào)節(jié)帶寬。
以上是針對(duì)穩(wěn)態(tài)的電壓環(huán)設(shè)計(jì)，如果輸入或者輸出在進(jìn)行動(dòng)態(tài)跳變，為了保證電路的可靠性，可以加入快環(huán)。也即在動(dòng)態(tài)時(shí)，為了加快環(huán)路響應(yīng)，滿足動(dòng)態(tài)的要求，采用另外一組環(huán)路參數(shù)，同時(shí)去除軟件濾波。當(dāng)總母線電壓采樣大于或者小于當(dāng)前總母線電壓給定的一定值時(shí)，進(jìn)入快環(huán)；當(dāng)總母線電壓采樣不再大于或者小于當(dāng)前總母線電壓給定另一值時(shí)，退出快環(huán)。當(dāng)然，由于母線電容的ESR容易受環(huán)境溫度的影響，所以當(dāng)環(huán)境溫度過(guò)低時(shí)，母線電容的ESR增大，電壓環(huán)調(diào)節(jié)過(guò)快，會(huì)導(dǎo)致母線電壓過(guò)壓。
所以電壓環(huán)的設(shè)計(jì)不僅要考慮到穩(wěn)態(tài)的低帶寬，還要考慮動(dòng)態(tài)響應(yīng)以及受環(huán)境溫度的影響。
4. 母線電壓偏壓環(huán)
PFC電路有正負(fù)母線輸出，所以要控制正負(fù)輸出平衡：
把&疊加到電壓波形給定中去，這樣可以調(diào)節(jié)母線平衡（見(jiàn)均壓原理分析）。
母線電壓偏壓環(huán)是純比例環(huán)節(jié),即有靜差調(diào)節(jié),所以即使最終調(diào)節(jié)穩(wěn)定的情況下,母線還是會(huì)存在一定的差異,如果K越大，&輸出就越大，調(diào)節(jié)能力就越強(qiáng)，平衡度就越好，但是注入到輸入電流的諧波也就越大，影響THD指標(biāo)。所以需要在THD和母線平衡之間做出平衡。
為了消除正、負(fù)母線之間的靜差，可以采用PI環(huán)節(jié)來(lái)代替純比例環(huán)節(jié)，但是積分環(huán)節(jié)本身存在退飽和的問(wèn)題，對(duì)于Vp, Vn 不停變化的系統(tǒng)，調(diào)壓是通過(guò)改變小矢量的持續(xù)時(shí)間，積分的響應(yīng)速度慢，可能反而對(duì)小矢量超調(diào)或欠調(diào)，導(dǎo)致正、負(fù)母線電壓一直處于偏壓的狀態(tài)。所以采用純比例環(huán)節(jié)進(jìn)行正、負(fù)母線電壓的調(diào)節(jié)可以保證時(shí)時(shí)性。
由于母線偏壓環(huán)的調(diào)節(jié)，會(huì)對(duì)THD造成影響，所以要根據(jù)母線偏壓的程序選擇比例系數(shù)和輸出δ的最大范圍，避免過(guò)分調(diào)節(jié)。
5. 補(bǔ)償器的數(shù)字化
數(shù)字補(bǔ)償器設(shè)計(jì)流程如下：
- 首先選擇一個(gè)合適的已知原型濾波器傳遞函數(shù)（要選擇合適的零極點(diǎn)）；
- 將該原型濾波器的s域傳遞函數(shù)映射到z域中；
- 將z域轉(zhuǎn)換為時(shí)域內(nèi)的線性差分方程。
從s域到z域的變換，我們一般采用雙線性變換，又稱Tustin變換和梯形變換。它將s域中的模擬傳遞函數(shù)轉(zhuǎn)換為z域中的等效數(shù)字傳遞函數(shù)，它只是表示的一個(gè)近似值，相對(duì)于采樣頻率的交叉頻率越低，近似值就越可靠。
以3P3Z控制器設(shè)計(jì)為例，在s域的表達(dá)式為：
將z域轉(zhuǎn)換為線性差分方程：
在MCU里面執(zhí)行的大致過(guò)程如圖36所示：
圖36數(shù)字Ⅲ型控制器實(shí)現(xiàn)方式
關(guān)于s域到z域變換的方法，請(qǐng)參考《基于MCHP 16bit dsPIC33C 全數(shù)字控制同步Buck入門》專題詳細(xì)介紹。