通过数字控制提高无桥PFC性能

图6:高压线路的VIN和IIN波形（VIN=220V,负载=1100W,THD=2.27%,PF=0.996）

改善轻载时的PF

每个PFC在输入端都有一个电磁干扰（EMI）滤波器。EMI滤波器的X电容会引起AC输入电流超前AC电压，从而影响PF.在轻载和高压线路下，这种情况将变得更糟糕：PF很难满足严格的规范。要想增加轻载时的PF,我们需要相应地强制电流延迟。我们如何实现呢？

图7:测量到的VIN无延迟
我们知道，PFC电流控制环路不断尝试强制电流与其参考匹配。该参考基本上是AC电压信号，只是大小不同。因此，如果我们能够延迟电压检测信号，并将延迟后的电压信号用于电流参考生成，便可以让电流延迟，来匹配AC电压信号，从而使PF得到改善。这对一个模拟控制器来说比较困难，但对数字控制而言，只需几行代码便可以实现。

图8:测量到的VIN被延迟300us
 

首先，输入AC电压通过ADC测量。固件读取测量到的电压信号，再加上一些延迟，然后使用延迟后的信号来生成电流参考。图7、8显示了1100W无桥PFC的测试结果。在该测试中，VIN=220V,VOUT=360V,而负载=108W（约满载的10%）。通道1为IIN,通道2为VIN,通道4为带延迟的测量到的VIN信号。图7中，测量到的VIN没有增加延迟，PF=0.86,THD=8.8%.而在图8中，测量到的VIN信号被延迟了300us,这种情况下，PF被改善到0.90.此外，还可以进一步改善PF,但这将以牺牲THD为代价，因为进一步延迟电流参考，将在AC电压交叉点处产生更多的电流失真。在图9中，测量到的VIN被延迟了500us,此时，PF被改善到0.92.但是，电流在电压交叉点处出现了失真。结果，THD变得更糟糕，达到11.3%.

图9:测量到的VIN被延迟500us
非线性控制

相比电流环路，电压环路控制的复杂度较低。在数字实现时，输出电压VO通过一个ADC检测，然后同一个电压基准比较。我们可以使用一个简单的比例积分（PI）控制器，来闭合该环路。

其中，U为控制输出，Kp和Ki分别为比例和积分增益。E[n]为DC输出电压误差采样值。

如前所述，使用数字控制的好处之一是它能够实现非线性控制。为提高瞬态响应，可以使用非线性PI控制。图10是非线性PI控制的一个例子。误差越大时（通常出现在瞬态），所使用的Kp增益也越大。当误差超出设置限制时，这将加速环路响应，并且，恢复时间也被缩短。对于积分器，则又是另外一种情况。众所周知，积分器用于消除稳态误差。然而，它却经常引起饱和问题，并且其90°相位滞后也将影响系统的稳定性。正因如此，我们使用了一个非线性积分增益（图10）。当误差超出一定程度时，积分增益Ki减小，以防止出现饱和、超调和不稳定的问题。

图10:非线性PI控制。
数字电压环路控制的另一个优点被称为抗积分器饱和，它一般出现在AC下降时。当出现AC下降且下游负载继续吸取电流时，DC输出电压开始下降，而PFC控制环路却仍然尝试调节其输出。因此，积分器积分，并可能出现饱和，这种情况被称为积分器饱和。一旦AC恢复，饱和的积分器便可能引起DC输出电压超调。为防止出现这种情况，则一旦探测到AC恢复，固件便马上复位积分器，并且DC输出达到其调节点。

数字控制器还可以做更多工作，例如：频率抖动、系统监控和通信等，并且还可以为无桥PFC提供灵活的控制、更高的集成度和更高的性能。在一些高端AC/DC设计中，越来越多的设计正在使用数字控制器。

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