基于DSP的Boost PFC软开关变换器研究

3 基于DSP的PFC实现原理
在传统数字控制Boost PFC中，基于双闭环的平均电流控制模式得到了广泛应用。电压环决定了参考电流的幅值并且保证输出电压稳定，通过电流环使输入电流跟踪输入电压。在该控制方式中，需要采样3个模拟信号：输入电压、输出电压和电感电流，通过DSP的信号控制电路将其变换成电压信号。在每一开关周期内，为实现PFC，DSP要完成复杂的计算，并且得到占空比来控制开关管。为达到单位功率因数，在每半个线性时间内，运用占空比预测控制算法，提前计算出占空比。但可预测控制算法需要大量的辅助工作，且整个系统过于灵敏，不好控制。
在此采用一种新颖的控制算法，即在一个开关周期内通过采样负载电流和输入电压计算PFC占空比。整个系统的工作是从外部A／D进行一次采样开始的。在DSP接收到采样数据后，才开始进行运算并输出相应的控制信号，因此可以采用定时器来控制外部A／D的采样频率。采样的同时可以接收外部MCU给出的上下行信息、制式信息和GPIO上输入的共模电感外部控制信息，这样系统进行一次计算所需的输入电压、电流信号便全部得到。每次A／D转换结束后产生一次中断，在中断服务程序里使下一任务就绪，中断服务程序结束后DSP开始执行下一任务，即对采样数据进行计算，得出控制信息，然后就绪下一任务，输出控制信息并保存有用的信息。如果此时收到SCI口中断，就说明用户需要了解系统的运行状况，便根据SCI得到的命令，从SCI发送相应的信息。完成这一系列操作后，系统就可进入等待状态，等待下一次定时器中断的来临，触发新一次A／D转换。此时，可使DSP进入睡眠状态来减少功耗，由定时器中断使DSP重新工作。程序框图如图2所示。

基于基本的单相Boost PFC，计算占空比的过程如下：在第n个开关周期内，操作时间从t(n-1)到t(n)，开关周期为Ts，占空比为D(n)，D’(n)=1-D(n)，当VS关断时，有：

设t(n-1)，t(n)时刻，输入电流分别为iin(n-1)，iin(n)，为达到PFC，需使iin(n)=iref(n)，iin(n-1)=iref(n-1)，uo(n)=Uref，所以式(2)变形为：

设输入电压电流的表达式分别为：

因此，只要实时检测uin和io就可快速计算出D(扁平型电感n)，DSP发出相应的PWM脉冲驱动开关管，从而实现变换电路的PFC。与传统的Boost PFC双闭环控制策略相比，该方法无需电压环和电流环的PI控制器，节省了DSP的操作时间，实时性好，降低了成本。

4 实验结果及分析
为验证理论分析的正确性，采用TMS320F2812型DSP设计了样机进行实验验证。VS采用APT50G50BN型IGBT，频率为50 kHz。整流桥选用KBPC1504，其400 V／15 A的耐压耐流指标满足实验要求，VD0采用快恢复二极管20CTH03，VD1～VD3用快恢复二极管IXYS DSEI 60-10A，输入220 V／50 Hz的单相交流电，Boost变换器电路的参数为：Lf=28电感生产μH，Lr=0．17μH，Cr1=0．7 μF，Cr2=0．43μF，Co=3 900μF，R=25 Ω。图3a为VS的零电流开通零电压关断波形，关断过程中电流有一段时间的振荡，这是电容和电感谐振造成的。图3b为输入端电压、电流波形。可见，电流很好地跟踪了电风华电感压变化，提高了输入侧的功率因数。实验结果和理论分析相吻合，验证了前文的分析。

5 结论
研究了一种基于DSP的Boost PFC软开关变换器，详细分析了其工作过程。由理论分析和实验结果可知，此拓扑实现了开关管的零电流开通和零电压关断，大大降低了变换器工作过程中的开关损耗，提高了电路的传输效率，并且采用基于DSP的新型控制算法，减少了信号处理，有效节省了DSP的资源。实验结果显示输入电流能很好地跟随输入电压的变化，达到了PFC，并且也实现了输出电压的稳定。不足之处在于使用了过多的二极管，增加了电路成本。另外，电感电容参数设计不当时会引起额外的谐振，影响电路性能。

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