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[摘 要]文章分析了单周期PFC技术的工作原理，提出了单周期PFC技术的数字控制方案。采用TMS320F28035型DSP芯片，设计了一套单周期PFC的数字控制系统，对上述控制方案进行了实验验证。结果表明该数字控制方案可较好地实现PFC，从而证明该方案可行。
[关键词]变换器 单周期控制 功率因数校正 數字控制
中图分类号：P412.16 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）28-0278-01
目前采用单周期控制技术推出了专用于AC/DC功率因数校正（Power Factor Correction，简称PFC）电路的IR1150系列PFC控制芯片。数字实现的单周期PFC技术在保证模拟单周期PFC技术优点的同时，克服了模拟单周期PFC技术控制参数固定、控制参数适应范围小的问题，得到越来越广泛的关注。
1、单周期PFC数字控制原理
1.1 单周期PFC技术原理
图1示出单周期PFC变换器控制原理框图。单周期PFC变换器作用在于使图中变换器的输入电流跟随整流后变换器的输入电压波形，同时又要保证输出电压稳定在给定值。
假定控制系统已经满足PFC变换器输入电流与电压成比例且相位一致，整个变换器可等效为电阻，于是可得为电感电流瞬时值，为整流器输出直流电压瞬时值。
对Boost型PFC变换器而言，在一个开关周期内，其输入电压、输出电压和开关管占空比d的关系为，故可得。
定义为PFC变换器中等效电流检测电阻，有公式①：。令，代入公式①可得式②：；式中：T为开关周期。
可构造单周期PFC控制方程组式③：
。通过控制系统实现和，并对它们进行比较即可获得开关器件的d，从而实现了单周期PFC。
1.2 单周期PFC数字实现
传统模拟单周期PFC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，而利用数字算法实现较为复杂，需要占用较多的DSP资源，因此需要对传统单周期PFC技术进行改进，以利于数字实现。
由于数字控制系统中系统采样频率远高于输入电流频率，数字控制系统中往往采用单周期单采样（SSOP）的信号采样方法，即在一个采样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，故可认为在一个开关周期内，数字控制系统得到的以及调节电压um为恒定值，对式③进行离散化处理，可得公式④：。
由于式④中的在每个开关周期内的值不同，用数字方法计算式④比较困难，需要占用大量的DSP资源，因此需要对式④进行改进以利于数字实现。由于在一个开关周期内和的值是固定的，因此可对式④进行如下改进得公式⑤：。
通过上述改进后和可以很容易地通过DSP来实现，并通过对和进行比较。当<时开关导通；反之，开关关断。
对于数字控制的PFC技术，往往采用SSOP信号采样方法，而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。通过软件计算出开关信号占空比，并以此确定开关器件的导通时间和关断时间，然后再计算出一个最佳的信号采样点以进行信号采样。通过采用这样的采样控制算法，可得到一个较好的采样信号，进而保证了PFC效果。
2、实验验证
采用DSP芯片TMS320F28035，设计一套单周期PFC数字控制系统，控制系统主要参数如下：交流输入电压90～260V，功率器件开关频率20kHz，输出直流母线电压控制为370V，变换器Boost电感选取8mH，输出滤波电容选取两个680μF/450 V电解电容并联。图2a，b示出单周期PFC数字控制系统交流输入电压220 V，输出功率的1.2 kW时的实验波形。实验中采用FlukeViewScopemeter 波形分析软件对输入电流进行了谐波分析，如图2c所示。
由上述实验波形可见，输出直流母线电压可以稳定控制在370 V左右，并且电压纹波较小；交流侧输入电流波形与输入电压波形相位一致，波形畸变系数仅为3.99%，功率因数达到了99.9%，采用所提出的单周期PFC数字控制方案取得了较好的控制效果。
3、结语
在分析传统单周期PFC技术控制原理的基础上，提出了一种数字实现简单、占用DSP资源少的单周期PFC数字控制方案。与传统模拟单周期PFC技术相比，该方案具有控制灵活、可靠性高、一致性好、成本低的特点。设计了基于TMS320F28035型DSP的数字控制系统对所提出的单周期PFC数字控制进行了实验验证，结果表明该数字控制方案的正确性及可行性。该单周期PFC数字控制技术的提出为单周期PFC技术提供了新的、较好的实现方案，具有较高的实际应用价值。
[关键词]变换器 单周期控制 功率因数校正 數字控制
中图分类号：P412.16 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）28-0278-01
目前采用单周期控制技术推出了专用于AC/DC功率因数校正（Power Factor Correction，简称PFC）电路的IR1150系列PFC控制芯片。数字实现的单周期PFC技术在保证模拟单周期PFC技术优点的同时，克服了模拟单周期PFC技术控制参数固定、控制参数适应范围小的问题，得到越来越广泛的关注。
1、单周期PFC数字控制原理
1.1 单周期PFC技术原理
图1示出单周期PFC变换器控制原理框图。单周期PFC变换器作用在于使图中变换器的输入电流跟随整流后变换器的输入电压波形，同时又要保证输出电压稳定在给定值。
假定控制系统已经满足PFC变换器输入电流与电压成比例且相位一致，整个变换器可等效为电阻，于是可得为电感电流瞬时值，为整流器输出直流电压瞬时值。
对Boost型PFC变换器而言，在一个开关周期内，其输入电压、输出电压和开关管占空比d的关系为，故可得。
定义为PFC变换器中等效电流检测电阻，有公式①：。令，代入公式①可得式②：；式中：T为开关周期。
可构造单周期PFC控制方程组式③：
。通过控制系统实现和，并对它们进行比较即可获得开关器件的d，从而实现了单周期PFC。
1.2 单周期PFC数字实现
传统模拟单周期PFC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，而利用数字算法实现较为复杂，需要占用较多的DSP资源，因此需要对传统单周期PFC技术进行改进，以利于数字实现。
由于数字控制系统中系统采样频率远高于输入电流频率，数字控制系统中往往采用单周期单采样（SSOP）的信号采样方法，即在一个采样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，故可认为在一个开关周期内，数字控制系统得到的以及调节电压um为恒定值，对式③进行离散化处理，可得公式④：。
由于式④中的在每个开关周期内的值不同，用数字方法计算式④比较困难，需要占用大量的DSP资源，因此需要对式④进行改进以利于数字实现。由于在一个开关周期内和的值是固定的，因此可对式④进行如下改进得公式⑤：。
通过上述改进后和可以很容易地通过DSP来实现，并通过对和进行比较。当<时开关导通；反之，开关关断。
对于数字控制的PFC技术，往往采用SSOP信号采样方法，而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。通过软件计算出开关信号占空比，并以此确定开关器件的导通时间和关断时间，然后再计算出一个最佳的信号采样点以进行信号采样。通过采用这样的采样控制算法，可得到一个较好的采样信号，进而保证了PFC效果。
2、实验验证
采用DSP芯片TMS320F28035，设计一套单周期PFC数字控制系统，控制系统主要参数如下：交流输入电压90～260V，功率器件开关频率20kHz，输出直流母线电压控制为370V，变换器Boost电感选取8mH，输出滤波电容选取两个680μF/450 V电解电容并联。图2a，b示出单周期PFC数字控制系统交流输入电压220 V，输出功率的1.2 kW时的实验波形。实验中采用FlukeViewScopemeter 波形分析软件对输入电流进行了谐波分析，如图2c所示。
由上述实验波形可见，输出直流母线电压可以稳定控制在370 V左右，并且电压纹波较小；交流侧输入电流波形与输入电压波形相位一致，波形畸变系数仅为3.99%，功率因数达到了99.9%，采用所提出的单周期PFC数字控制方案取得了较好的控制效果。
3、结语
在分析传统单周期PFC技术控制原理的基础上，提出了一种数字实现简单、占用DSP资源少的单周期PFC数字控制方案。与传统模拟单周期PFC技术相比，该方案具有控制灵活、可靠性高、一致性好、成本低的特点。设计了基于TMS320F28035型DSP的数字控制系统对所提出的单周期PFC数字控制进行了实验验证，结果表明该数字控制方案的正确性及可行性。该单周期PFC数字控制技术的提出为单周期PFC技术提供了新的、较好的实现方案，具有较高的实际应用价值。