0 引言

由于电力电子产品的广泛应用,产生了高次谐波和无功功率，严重影响电网和其他设备的正常工作，这就需要PFC技术的应用。在中大功率场合中，Boost PFC工作在电感/电流连续(CCM)时，电路输入/输出电流纹波小，流经开关管的电流有效值小，但在硬开关状态下，开关损耗高，二极管也会产生很高的恢复损耗。Boost PFC工作在电感/电流断续模式(DCM)时，二极管是零电流开通，减小了开关损耗，电感量小，但有较高的电感/电流峰值，在输入较高电压时，功率因数较低。Boost PFC工作在电感电流零界连续模式(CRM)时，具有零电流开关的特点，降低了电路损耗，且电感量比DCM小，但电路频率不固定，在输出负载较小时开关频率变化范围大，不利于EMI滤波器的设计，多应用于小功率的Boost PFC电路。

交错并联Boost PFC是指不少于一个变换器基本单元并联组成的电路, PWM控制每个变换器的开关管交错导通 ,电流呈现交错状态流过每个开关管。参考文献[1-2]具体分析了耦合电感对交错并联Boost PFC电源输入电流、输出电流、电感电流的影响；参考文献[3]给出了加入均流电感对两路并联电感实现均流的方案；参考文献[4]对两路交错并联DC/DC变换器实现软开关的控制策略进行研究；参考文献[5]提出了一种基于拓扑组合的高增益Boost 变换器；参考文献[6]介绍了耦合电感的基本原理，分析了耦合电感对变换器开关频率、输入电流纹波的影响。本文提出了数字交错并联Boost PFC新型电源，对硬件和软件给出了具体设计方法，并进行实验验证。

1 硬件电路的设计

1.1 交错并联Boost PFC硬件原理

图1是新型电源系统框图。新型电源主要包括主功率电路和DSP控制电路，可以看作是一个典型的自动控制系统。交流电输入电路后，通过EMI滤波器抑制外來电磁干扰，经过整流电路输入主功率电路。主功率电路是系统的控制对象，DSP控制电路是系統的主控制器。电压检测、电流检测、电压反馈是DSP控制电路的输入，两路脉冲宽度调制(PWM)是DSP输出，相位相差180°，占空比小于0.5，通过驱动模块控制开关管的导通和截止，使得两相电感/电流相位交错180°，电感/电流纹波相互叠加抵消以后,整个PFC电路的输入电流纹波得以大大减小，有效减小电感和EMI滤波器的尺寸。图2是交错并联Boost PFC的电流波形图。整个系统采用双环控制结构，电压环对输出电压进行反馈和调节,实现输出电压稳定；电流环控制输入电流跟随输入电压变化,实现PFC的矫正，理论上能够使功率因数达到1。

1.2 主电路参数设计

1.2.1 开关频率的选择

功率因数校正电路中，为了减小新型电源的体积和避免电路中的损耗过高，开关管的开关频率不能偏低，也不能过高。本设计开关管的开关频率fs为50 kHz，两路电感电流交错以后，实际输入频率达到100 kHz，这一频率使得整个系统工作在最佳状态。

1.2.2 耦合电感值的计算

两路电感L1、L2采用正向耦合，在正常工作状态下，L1、L2工作在DCM下，总的输入电流工作在CCM下。由于两路电感存在互感，解耦后的等效电路如图3所示。

在输入最低电压峰值和PWM占空比小于0.5的情况下，需要满足电感电流纹波要求。最小输入峰值电压为：

根据公式[7]：

得到：

其中Uo为输出电压有效值(400 V)，Uin为输入电压有效值，D为PWM占空比，且D<0.5，则电感值为：

取L1、L2的电感值为200 H，输出功率为1 200 W。在输出额定功率恒定的情况下，输入最大电流峰值为：

设计中脉动电流为峰值电流的20%，则脉动电流：

电感上的峰值电流等于输入最大峰值电流加上脉动电流的一半：

1.2.3 输出电容的设计

当输入电源切断后，保持时间是指输出电压跌落到正常电压的90%，设计保持时间：?驻t=1.5 ms，则输出电容：

设输入电压为：

输入电流为：

效率为：?浊=95%，则输出电流为：

Io在系统满负载时输出的电流为3 A。输出电流io(t)的交流分量流经输出电容产生的电压纹波为：

设计输出纹波为输出电压的5%，则输出电容为：

因此，输出电容用一个1 000 F/450 V、一个220 F/450 V和2个10 F/450 V并联，输出电容实际值为1 240 F。

2 控制系统的分析与设计

为了实现系统恒功率的控制，取整流后的输入电压平均值为V，在模拟控制中，V由二阶低通滤波得到，含有二次纹波，会影响功率因数的提高。在改进型算法中，用数字离散方法计算V：

式中，N表示一个周期内的采样次数，取2 000次；V(i)表示第i次采样值，避免了引入二次谐波，提高了功率因数。对于传统PFC电路的基准电流容易受到输入电压干扰的缺点，提出了采用电压环和电流环双闭环数字PI控制算法。在此算法中，输入电流正弦波形由DSP内部软件完成，当输入电压受到干扰发生畸变时，能够保证输出为高度正弦的电流波形，从而使系统保持很高的功率因数，算法结构如图4所示。

基准电压Vref与输出电压采样Vinput比较得到电压误差信号Verr，Verr经过电压调节器输出信号A。信号A、数字正弦表取值B、输入电压平均值C、比例系数Km作为电流基准算法的4个输入，通过算法得到输入电流基准Iref。Iref与输入电流采样值Iinput比较之后得到电流误差信号Ierr，Ierr经过电流调节器计算后，输出开关管的PWM驱动信号。由图4可知，电压环的传递函数：

其中，Vo是输出电压，令：

式中，Tv是采样周期，将式(17)、式(18)代入式(16)进行z变换，得：

再进行z逆变换，得电压环控制算法：

同理可得电流环传递函数：

式中，Io是开关管输出电流，令：

采用双线性变换：

式中，Ti是采样周期，将式(23)、式(24)代入式(22)进行z变换，得：

再进行z逆变换，得电流环控制算法：

DSP数字控制程序由主程序和中断服务子程序两部分组成。主程序完成各功能模块的初始化，中断程序包括电压环计算、电流基准算法、电流环计算。程序流程图如图5所示。

3 实验结果

本文基于DSP数字控制平台，根据硬件和软件设计，制作了一台1.2 kW的数字PFC电源，并对创新型算法进行实验验证。实验参数：输入电压为220 V，开关频率为50 kHz，耦合电感为200 H，输出电容为1 240 ?滋F，输出电压为400 V。图6(a)是输出满载1.2 kW的实验结果，可见输入电流波形跟随输入电压波形，功率因素为0.993，效率为95.715%，THD为2.558%。图6(b)是输出负载突然变化的情况下，输入电流大小随输出负载变化而变化的波形图，可见输入电流波形跟随输入电压波形，没有发生畸变，输出电压稳定，几乎没有抖动，功率因数为0.996，效率为95.506%，THD为2.304%。因此证明了新型电源和改进型算法的可行性和正确性，系统稳定性好，达到实验要求。

4 结论

本文针对并联交错Boost PFC新型电源，对耦合电感和输出电容进行了详细的设计，提出了基于DSP的改进型双闭环控制算法，外环为电压环，内环为电流环，基于PI控制算法来实现内部运算，达到控制效果。最后设计并制作了1.2 kW的数字PFC电源。大量的实验结果表明，新型电源有效提高了功率因数和效率，降低了THD，很大程度上减少了电路对电网的谐波污染，具有很好的稳定性和动态性，满足工业上对负载突变的严格要求，拥有很好的市场应用前景。