基礎知識：通過DFF控制改善功率因數與THD

幾十年來，平均電流模式控制一直用于功率因數校正 (PFC)，而且在商業市場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足大部分 50/60Hz AC 線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使電感器電流領先于輸入電壓，導致不統一的基本位移功率因數與過零失真。在 PFC 工作在高頻率 AC 環境下時，這種情況會變得更糟糕，例如工作在 400Hz 下的機載系統。這些系統所需的高質量輸入電流很難通過傳統控制方法實現。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。對于工作在連續傳導模式下的升壓拓撲來說，占空比 d_FF的計算公式為：

公式 1

該占空比模式在開關兩端產成一個電壓，其在整個開關周期內的平均值等于整流輸入電壓。常規電流環路補償器會圍繞這個計算出的占空比模式改變占空比。

由于升壓電感器在線路頻率下的阻抗非常低，因此很小的占空比變化就會在整個電感器上產生足夠的電壓，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 可用來生成控制 PFC 的脈寬調制 (PWM) 波形。

使用 DFF 控制時，需要很多數學計算。CPU 的速度可決定控制環路的速度，進而影響環路帶寬。更快的 CPU 就意味著可實現更高的帶寬。然而，這也意味著更高的成本與功耗。

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

UCD3138 中的數字補償器是一個增加了一個 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 電流環路是一階系統，因此通常情況下 PI 控制器已足夠進行補償。這可騰出 D 分支，用來提高 DFF 控制速度。

仔細觀察圖 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 d_I能以高速進行計算。因而其實 d_FF + d_I = d，其可降低控制環路速度。如果 d_FF + d_I = d 也能通過硬件完成，那么不僅整個環路速度會比以前快，而且帶寬也會提高。

圖 3. UCD3138 的 PID 結構

D 分支有兩個高級特性：

輸出可設置為預定義值
它可能會中止（凍結），使其輸出維持當前值

我們可利用這兩個特性增強 DFF 控制。

例如，電流控制環路必須是 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。有效的控制環路將在 100kHz 下運行。該過程請參見圖 4。