适用于DCM Boost变换器的数字有源功率因数校正技术及其FPGA实现

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有源功率因数校正技术作为当前用电设备提高功率因数、降低谐波污染的重要手段,在世界范围内得到了广泛应用。基于DCM模式的Boost PFC成本低,结构简洁,被广泛应用于中小功率场景。本文致力于研究DCM模式下基于Boost PFC的数字有源功率因数校正技术,推导并对比不同的数字控制策略,并基于FPGA数字控制技术进行快速实现与实验验证。本文分析了DCM模式下Boost PFC的工作模态,并根据实验需求设计了一台输入电压为85~265V,输出功率为120W的实验样机。依据传统单电压环控制方式,推导了功率因数的表达式,揭示了在传统单电压环控制方法下功率因数与调压比之间的联系。为了解决传统单电压环控制中的缺陷,提出采用增加电流内环的方式进行改进。但电压电流双环控制方式需要增加额外的电流采样装置,并存在采样延迟的问题。因此,本文基于模拟控制思想,提出了基于FPGA的无电流传感器平均电流模式(SACM)数字控制方法,阐明了所需占空比与输入、输出电压之间的关系。随后基于MATLAB/Simulink平台对上述推导进行了仿真验证。这种新型数字控制技术优化了在高调压比下的功率因数,同时避免了双环控制下电流环滞后的问题,有效减小了宽输入范围下输入电流的总谐波失真。本文还详细阐述了基于CycloneⅣE系列EP4CE22F17C6开发板的PFC控制平台实现方法,搭建了基于FPGA的数字控制框架,并在此基础上实现了三种不同的控制方式。实验结果显示,基于FPGA的SACM数字控制方法以50KHz的频率进行单周期控制,在宽输入范围内功率因数可以达到0.995以上,峰值为0.9983,输入电流总谐波失真小于6.9%,在宽输入范围及全功率范围内显著优于其他两种控制方法。基于同一套实验平台,实验同时揭示了单电压环控制与双环控制的问题与劣势,证明了所提SACM数字控制方法在DCM Boost PFC上的功率因数校正效果具有显著的优越性。
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