通过占空比前馈控制改善功率因数与THD

2023-5-21 19:09| 发布者: 开心| 查看: 328| 评论: 0

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摘要: {本文由家电维修技术论坛小编收集整理资料}通常认为，平均电流模式控制的性能可充分满足大部分 50/60Hz AC 线路输入的商用电源应用需求。但是，传统平均电流模式控制会使电感器电流领先于输入电压，导致不统一的基本位移功率因数与过零失真。在 PFC ...

{本文由家电维修技术论坛小编收集整理资料}通常认为，平均电流模式控制的性能可充分满足大部分 50/60Hz AC 线路输入的商用电源应用需求。但是，传统平均电流模式控制会使电感器电流领先于输入电压，导致不统一的基本位移功率因数与过零失真。在 PFC 工作在高频率 AC 环境下时，这种情况会变得更糟糕，例如工作在 400Hz 下的机载系统。这些系统所需的高质量输入电流很难通过传统控制方法实现。一种名为占空比前馈 (DFF) 控制的最新控制方法可有效降低高线路频率下的输入电流失真1/2/3。几十年来，平均电流模式控制一直用于功率因数校正 (PFC)，而且在商业市场也有各种采用这种控制算法的 PFC 控制芯片。图 1 是这种平均电流模式控制的形象介绍。

图 1. PFC 的平均电流模式控制通常认为，平均电流模式控制的性能可充分满足大部分 50/60Hz AC 线路输入的商用电源应用需求。但是，传统平均电流模式控制会使电感器电流领先于输入电压，导致不统一的基本位移功率因数与过零失真。在 PFC 工作在高频率 AC 环境下时，这种情况会变得更糟糕，例如工作在 400Hz 下的机载系统。这些系统所需的高质量输入电流很难通过传统控制方法实现。一种名为占空比前馈 (DFF) 控制的最新控制方法可有效降低高线路频率下的输入电流失真1/2/3。 DFF 控制的基本构想是预先计算占空比，以减轻反馈控制器的任务。对于工作在连续传导模式下的升压拓扑来说，占空比 dFF 的计算公式为：

公式 1 该占空比模式在开关两端产成一个电压，其在整个开关周期内的平均值等于整流输入电压。常规电流环路补偿器会围绕这个计算出的占空比模式改变占空比。由于升压电感器在线路频率下的阻抗非常低，因此很小的占空比变化就会在整个电感器上产生足够的电压，以生成所需的正弦电流波形。

图 2. PFC 的占空比前馈控制图 2 是获得的控制方案。公式 1 可计算前馈占空比 dFF。然后它可添加至传统平均电流模式控制输出 dI。最终的占空比 d 可用来生成控制 PFC 的脉宽调制 (PWM) 波形。使用 DFF 控制时，需要很多数学计算。CPU 的速度可决定控制环路的速度，进而影响环路带宽。更快的 CPU 就意味着可实现更高的带宽。然而，这也意味着更高的成本与功耗。当我使用德州仪器 (TI) 数字控制器 UCD3138 实施这一控制算法时，我利用 UCD3138 的硬件数字补偿器以相对较低的 CPU 速度实现了高带宽。 UCD3138 中的数字补偿器是一个增加了一个 α 的传统 PID 结构，可提供双极双零补偿（图 3）。P、I 和 D 是三个独立分支，合并输出后可生成最终的控制信号。数字补偿器运行速率高达 2MHz。由于 PFC 电流环路是一阶系统，因此通常情况下 PI 控制器已足够进行补偿。这可腾出 D 分支，用来提高 DFF 控制速度。仔细观察图 2。尽管 IREF 和 dFF 由速度有限的 CPU 计算，但数字补偿器和 PWM 生成器是 UCD3138 的硬件，因此它们的运行速度更快。这就意味着 dI 能以高速进行计算。因而其实 dFF + dI = d，其可降低控制环路速度。如果 dFF + dI = d 也能通过硬件完成，那么不仅整个环路速度会比以前快，而且带宽也会提高。

图 3. UCD3138 的 PID 结构 D 分支有两个高级特性： 1. 输出可设置为预定义值2. 它可能会中止（冻结），使其输出维持当前值我们可利用这两个特性增强 DFF 控制。例如，电流控制环路必须是 100KHz，但由于 CPU 速度的限制，dFF 最多只能在 50KHz 速率下进行计算。完成计算后，将 D 分支输出预设为 dFF，然后中止。尽管 dFF 在 50kHz 下计算，但是 P、I 和 d = P + I + dFF 都在更快的 100KHz 速率下运行，因此 PWM 可在 100kHz 下更新。有效的控制环路将在 100kHz 下运行。该过程请参见图 4。

图 4. 将 DFF 与 UCD3138 PID 结构结合有了更快的控制环路速度，就可提高带宽，从而改善 THD 和 PF。UCD3138 的独特结构可提供改进的 DFF 实施方案。  推荐阅读：应用电路板的多轨电源设计—第2部分：布局技巧如何攻克高速放大器设计三大常见问题？Buck-Boost集成电路提供更快的充电速度，更长的电池寿命选择最佳的振动传感器来进行风轮机状态监控电力线通信模拟前端AFE031的应用及设计概述要采购电感器么，点这里了解一下价格!
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