0 引言

    隨著電力電子裝置在日常生活中的廣泛應(yīng)用，由此引發(fā)的電網(wǎng)諧波污染也日益嚴(yán)重，研究已表明，有源功率因素校正(APFC)電路是遏制諧波污染的有效方法之一^[1-3]。與傳統(tǒng)的APFC電路相比，交錯(cuò)APFC電路因具有功率因素高、輸入電流紋波小、轉(zhuǎn)換效率高以及控制能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，更能適合電力電子裝置高大功率場(chǎng)合發(fā)展的現(xiàn)狀需求^[4-6]。而在電力電子裝置架構(gòu)中，控制器作為核心，在提升系統(tǒng)性能與提高轉(zhuǎn)換效率等方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。就目前的APFC架構(gòu)來(lái)說(shuō)，存在著運(yùn)行速度慢、效率低及動(dòng)態(tài)特性差等缺陷，這與現(xiàn)有APFC變換器中的控制器大多采用串行結(jié)構(gòu)式(如MCU^[7-8]、DSP^[9-10])有極大的關(guān)系。因此，開(kāi)發(fā)基于并行結(jié)構(gòu)的APFC控制器對(duì)于提升系統(tǒng)的整體性能、解決電網(wǎng)諧波污染問(wèn)題具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。為此，本文提出了一種基于SOPC技術(shù)控制的并行結(jié)構(gòu)交錯(cuò)APFC變換器架構(gòu)，并通過(guò)一個(gè)800 W的樣機(jī)測(cè)試結(jié)果來(lái)驗(yàn)證了本方案的正確性與有效性。

1 基于SOPC的交錯(cuò)APFC系統(tǒng)架構(gòu)

    圖1示出基于SOPC的交錯(cuò)APFC變換器架構(gòu)。該架構(gòu)的控制核心為一款性?xún)r(jià)比較高的FPGA，其不僅擁有豐富的I/O端口和強(qiáng)大的并行運(yùn)算能力，而且還支持NiosⅡ嵌入式軟核處理器，為整個(gè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)提供了良好的平臺(tái)。控制方法采用了雙環(huán)PI控制，被測(cè)模擬信號(hào)經(jīng)AD轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，送入FPGA（圖1虛線(xiàn)框部分）進(jìn)行處理后生成兩路PWM信號(hào)，對(duì)主電路并聯(lián)的兩個(gè)Boost電路進(jìn)行交錯(cuò)控制，從而有效地減少了開(kāi)關(guān)器件的應(yīng)力，降低了電子器件選取及系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難度，提高了系統(tǒng)的輸出功率等級(jí)。

2 PI控制器的設(shè)計(jì)

2.1 電流環(huán)PI控制器

2.2 電壓環(huán)PI控制器

    在雙環(huán)PI控制下，電壓外環(huán)的響應(yīng)速度遠(yuǎn)小于電流內(nèi)環(huán)，但在A(yíng)PFC中，為防止v_o中2倍工頻電壓紋波引起輸入電流畸變，一般要求其穿越頻率f_cv盡可能地小于100 Hz為宜。本文選取f_cv為10 Hz，由文獻(xiàn)[12]知G_vi(s)的傳遞函數(shù)為：

    其中k_v取0.01。將各參數(shù)值代入式(4)，當(dāng) G_vc(s)的比例系數(shù)取0.04，積分系數(shù)取1.88時(shí)，可得G_v(s)的頻率響應(yīng)如圖4所示。可知經(jīng)校正后，電壓環(huán)低頻增益有所提升，穿越頻率約為10 Hz，且相角裕度約為80°，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

3 SOPC系統(tǒng)構(gòu)建

3.1 前端數(shù)據(jù)采集

    在設(shè)計(jì)的交錯(cuò)APFC變換器中，需要同時(shí)采集系統(tǒng)的輸出電流、輸入交流側(cè)的整流電壓、電感L1的電流以及電感L2的電流四路信號(hào)，故選用了四通道十二位同步數(shù)據(jù)采集器AD7874^[13]。因NiosⅡ的工作時(shí)鐘通常在100 MHz或以上，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于A(yíng)D7874的工作時(shí)鐘，為解決兩者間時(shí)鐘嚴(yán)重不匹配的問(wèn)題，采用了一個(gè)異步高速的FIFO來(lái)對(duì)AD7874轉(zhuǎn)換所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行緩沖存儲(chǔ)。因此得到了圖5所示的前端數(shù)據(jù)采集模塊的頂層硬件原理圖，將其編譯、綜合及仿真后，得到圖6所示的功能仿真結(jié)果。結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)前端數(shù)據(jù)采集模塊能正確按照AD的工作時(shí)序完成外部數(shù)據(jù)的采集、轉(zhuǎn)換及存儲(chǔ)。

3.2 自定制Avalon外設(shè)

    因基于NiosⅡ軟核處理器設(shè)計(jì)的SOPC系統(tǒng)是靠Avalon總線(xiàn)對(duì)外設(shè)進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)，因此在構(gòu)建交錯(cuò)APFC的SOPC系統(tǒng)時(shí)，自定制了符合Avalon總線(xiàn)接口的外設(shè)PWM、電壓PI控制器及電流PI控制器模塊。其結(jié)果如圖7所示，可知自定制Avalon外設(shè)各模塊均能順利的添加到SOPC系統(tǒng)中。

3.3 系統(tǒng)總體構(gòu)建

    將已設(shè)計(jì)好的各分模塊依據(jù)圖2進(jìn)行連接，得到了由圖8示出的交錯(cuò)APFC的總體SOPC系統(tǒng)構(gòu)建圖。圖中PLL為全數(shù)字鎖相環(huán)，其輸入接外部時(shí)鐘，經(jīng)倍頻后得到3路時(shí)鐘信號(hào)，分別供給NiosⅡ軟核處理器、前端數(shù)據(jù)采集ad_fifo及存儲(chǔ)器sdram。由圖8可知，所構(gòu)建的SOPC系統(tǒng)能順利地完成編譯、綜合及引腳分配，證實(shí)該系統(tǒng)能成功嵌入FPGA中。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

    為驗(yàn)證本文理論的正確性，采用Altera-EP2C8Q 208C作為數(shù)字控制器，實(shí)現(xiàn)了基于圖1的800 W樣機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。相關(guān)電路參數(shù)為：輸入為交流全電壓85~265 V，輸出電壓v_o=395 V，開(kāi)關(guān)頻率f_S=65 kHz，輸出電容C_o=390 μF，升壓電感L=L1=L2=250 μH。

    圖9示出了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的實(shí)測(cè)波形。其中圖9(a)與圖9(b)分別為變換器低壓、高壓滿(mǎn)載下的交流側(cè)輸入電壓電流波形：可知輸入電流能很好地跟蹤輸入電壓，并與電壓保持同相位，證實(shí)系統(tǒng)具有良好的功率因素校正功能。圖9(c)與圖9(d)分別為低壓、高壓滿(mǎn)載下功率開(kāi)關(guān)管的漏源電壓與電流波形：可知開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷呈現(xiàn)出相互交錯(cuò)的狀態(tài)，且在電流上升到峰值時(shí)，開(kāi)關(guān)管會(huì)迅速關(guān)斷，證實(shí)系統(tǒng)能正確實(shí)現(xiàn)交錯(cuò)控制，且具有較強(qiáng)的峰值限流能力。圖9(e)與圖9(f)分別為低壓、高壓帶0~2 A動(dòng)態(tài)負(fù)載下的輸出電壓（示波器已設(shè)置-360 V偏置）、電流波形：可知輸出電壓在輸出電流切換的瞬間能快速響應(yīng)，且無(wú)明顯的過(guò)沖現(xiàn)象，波動(dòng)峰峰值小于輸出電壓的5%，證實(shí)系統(tǒng)具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，輸出電壓波動(dòng)小的特點(diǎn)。

5 結(jié)論

    研究了交錯(cuò)APFC變換器及其在FPGA上的實(shí)現(xiàn)，提出了一種基于SOPC技術(shù)實(shí)現(xiàn)的交錯(cuò)APFC變換器架構(gòu)，給出了有效的控制器設(shè)計(jì)、前端數(shù)據(jù)處理、自定制Avalon外設(shè)及SOPC系統(tǒng)構(gòu)建的實(shí)現(xiàn)方法。最后在800W的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)上實(shí)現(xiàn)了文中所提架構(gòu)的交錯(cuò)APFC變換器，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)該架構(gòu)是正確可行的，并且具有良好功率因素校正效果。

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作者信息：

閻昌國(guó)1，龔仁喜2，劉小雍1

（1.遵義師范學(xué)院 工學(xué)院，貴州 遵義563006；2.廣西大學(xué) 電氣工程學(xué)院，廣西 南寧530004）