幾十年來(lái)，平均電流模式控制一直用于功率因數校正 (PFC)，而且在商業(yè)市場(chǎng)也有各種采用這種控制算法的 PFC 控制芯片。

 

圖 1 是這種平均電流模式控制的形象介紹。

 

圖 1. PFC 的平均電流模式控制

 

通常認為，平均電流模式控制的性能可充分滿(mǎn)足大部分 50/60Hz AC 線(xiàn)路輸入的商用電源應用需求。但是，傳統平均電流模式控制會(huì )使電感器電流領(lǐng)先于輸入電壓，導致不統一的基本位移功率因數與過(guò)零失真。在 PFC 工作在高頻率 AC 環(huán)境下時(shí)，這種情況會(huì )變得更糟糕，例如工作在 400Hz 下的機載系統。這些系統所需的高質(zhì)量輸入電流很難通過(guò)傳統控制方法實(shí)現。一種名為占空比前饋 (DFF) 控制的最新控制方法可有效降低高線(xiàn)路頻率下的輸入電流失真^1/2/3。

 

DFF 控制的基本構想是預先計算占空比，以減輕反饋控制器的任務(wù)。對于工作在連續傳導模式下的升壓拓撲來(lái)說(shuō)，占空比 d_FF 的計算公式為：

 

  公式 1

 

該占空比模式在開(kāi)關(guān)兩端產(chǎn)成一個(gè)電壓，其在整個(gè)開(kāi)關(guān)周期內的平均值等于整流輸入電壓。常規電流環(huán)路補償器會(huì )圍繞這個(gè)計算出的占空比模式改變占空比。

 

由于升壓電感器在線(xiàn)路頻率下的阻抗非常低，因此很小的占空比變化就會(huì )在整個(gè)電感器上產(chǎn)生足夠的電壓，以生成所需的正弦電流波形。

 

圖 2. PFC 的占空比前饋控制

 

圖 2 是獲得的控制方案。公式 1 可計算前饋占空比 d_FF。然后它可添加至傳統平均電流模式控制輸出 d_I。最終的占空比 d 可用來(lái)生成控制 PFC 的脈寬調制 (PWM) 波形。

 

使用 D_FF 控制時(shí)，需要很多數學(xué)計算。CPU 的速度可決定控制環(huán)路的速度，進(jìn)而影響環(huán)路帶寬。更快的 CPU 就意味著(zhù)可實(shí)現更高的帶寬。然而，這也意味著(zhù)更高的成本與功耗。

 

當我使用德州儀器 (TI) 數字控制器 UCD3138 實(shí)施這一控制算法時(shí)，我利用 UCD3138 的硬件數字補償器以相對較低的 CPU 速度實(shí)現了高帶寬。

 

UCD3138 中的數字補償器是一個(gè)增加了一個(gè) α 的傳統 PID 結構，可提供雙極雙零補償（圖 3）。P、I 和 D 是三個(gè)獨立分支，合并輸出后可生成最終的控制信號。數字補償器運行速率高達 2MHz。由于 PFC 電流環(huán)路是一階系統，因此通常情況下 PI 控制器已足夠進(jìn)行補償。這可騰出 D 分支，用來(lái)提高 D_FF 控制速度。

 

仔細觀(guān)察圖 2。盡管 I_REF 和 d_FF 由速度有限的 CPU 計算，但數字補償器和 PWM 生成器是 UCD3138 的硬件，因此它們的運行速度更快。這就意味著(zhù) d_I 能以高速進(jìn)行計算。因而其實(shí) d_FF + d_I = d，其可降低控制環(huán)路速度。如果 d_FF + d_I = d 也能通過(guò)硬件完成，那么不僅整個(gè)環(huán)路速度會(huì )比以前快，而且帶寬也會(huì )提高。

 

圖 3. UCD3138 的 PID 結構

 

D 分支有兩個(gè)高級特性：

 

1. 輸出可設置為預定義值

2. 它可能會(huì )中止（凍結），使其輸出維持當前值

 

我們可利用這兩個(gè)特性增強 DFF 控制。

 

例如，電流控制環(huán)路必須是 100KHz，但由于 CPU 速度的限制，d_FF 最多只能在 50KHz 速率下進(jìn)行計算。完成計算后，將 D 分支輸出預設為 d_FF，然后中止。盡管 d_FF 在 50kHz 下計算，但是 P、I 和 d = P + I + d_FF 都在更快的 100KHz 速率下運行，因此 PWM 可在 100kHz 下更新。有效的控制環(huán)路將在 100kHz 下運行。該過(guò)程請參見(jiàn)圖 4。

 

圖 4. 將 DFF 與 UCD3138 PID 結構結合

 

有了更快的控制環(huán)路速度，就可提高帶寬，從而改善 THD 和 PF。UCD3138 的獨特結構可提供改進(jìn)的 D_FF 實(shí)施方案。

 

 

推薦閱讀：