数字控制PFC电路的模型与环路设计分析

摘要：本文介绍了以 BOOST 为主拓扑的 PFC 电路的小信号模型建立，讨论并给出了在数字控制下电流环与电压环补偿环路的设计方法，采用 TI 公司的 TMS320LF2407A 控制芯片，对控制方案进行了验证。

1.引言

在电力电子电路中，非线性开关电源的应用使得谐波电流对电网造成了污染和危害。为提高电网功率因数， 功率因数校正技术得到迅速发展和广泛的应用。近年来，随着数字信号处理技术的飞速发展，以 DSP为核心数字信号处理芯片开始广泛的应用于开关电源中。数字控制较之模拟控制有很多优点，比如控制减少成本，适应性好，开放周期短等，数字控制将是功率因数校正领域今后的发展方向。

2.PFC 电路模型建立

目前应用最广泛的电路是如图 1 所示以 Boost 为主拓扑的 PFC， Boost 电路具有电感电流连续、 可抑制EMI 噪声，电流波形失真小，在整个输入电压范围内能保持较高的功率因数。 PFC 电路通常采用双环控制，电流环是内环， 控制输入电流波形跟随输入电压波形;电压环是外环，调节输出电压保持稳定。

建立小信号数学模型，分析变换器的低频动态特性可以为我们更好的了解电路本质，为环路设计提供依据。就小信号而言，在静态工作点附近用线性关系近似代替变量间的非线性关系，使得各小信号分量之间用线性方程来描述，实现了非线性系统的线性化。

2.2 电流内环模型

电流环是 PFC 双环控制的核心，它控制输入电流跟踪输入电压波形，并与输入电压成比例。图 3 为电流环的框图

2.3 电压外环模型

电压环是 PFC 控制的外环，其作用是稳定输出电压并保持输出电压高于输入电压峰值的电压上。图 5为电压环控制框图

为使 PFC 电路有较好的稳定性和稳态性能，必须对电流环和电压环进行反馈补偿, 通过适当的补偿网络，合理配置零极点, 改善电路特性。在数字控制中，PI 补偿器因其在数字实现上较为简单，且有成熟的工业自动控制应用背景，在数字控制 PFC 电路中被广泛采用。

3.1 数字补偿器的模拟设计方法

数字补偿器最简单的设计方法是把模拟设计的 PI直接转换为数字控制，但在 s 域中零阶保持器和采样器设计比较难，因此常常忽略控制回路中所有的零阶保持器和采样器，然后在 s 域内按照连续控制系统进行设计，最终将模拟补偿器转换为数字补偿器。