《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于SOPC的交錯APFC變換器設(shè)計
2017年電子技術(shù)應(yīng)用第7期
閻昌國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
摘要： 針對基于串行結(jié)構(gòu)控制器（如MCU、DSP）設(shè)計的交錯有源功率因素校正(APFC)變換器存在運行速度慢,、動態(tài)特性差的問題,，提出了一種基于SOPC技術(shù)控制的交錯APFC變換器架構(gòu)。該架構(gòu)采用并行結(jié)構(gòu)FPGA作為開發(fā)平臺,，以NiosⅡ軟核處理器為核心,，運行速度快，提升了系統(tǒng)的整體性能,。文中設(shè)計了系統(tǒng)各模塊的IP核,，并構(gòu)建了交錯APFC變換器的SOPC系統(tǒng)。800 W的樣機實驗結(jié)果表明：該方案具有功率因素校正效果好,、峰值限流能力強,、動態(tài)響應(yīng)速度快等優(yōu)點。
中圖分類號： TM615
文獻標(biāo)識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2017.07.034
中文引用格式： 閻昌國,，龔仁喜,，劉小雍. 基于SOPC的交錯APFC變換器設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2017,，43(7)：135-139.
英文引用格式： Yan Changguo,，Gong Renxi，Liu Xiaoyong. Design of interleaved APFC convert based on SOPC[J].Application of Electronic Technique,，2017,，43(7)：135-139.
Design of interleaved APFC convert based on SOPC
Yan Changguo1，Gong Renxi2,，Liu Xiaoyong1
1.School of Engineering and Technology,，Zunyi Normal College，Zunyi 563006,，China,； 2.School of Electrical Engineering，Guangxi University,，Nanning 530004,，China
Abstract： Aiming at the problem of the most controllers(such as MCU and DSP) of the interleaved Active Power Factor Correction(APFC) convert have been the serial structure,which are of slow operation speed and poor dynamical characteristics, an interleaved APFC convert architecture based on SOPC is proposed in this paper. It improved the overall performance of system, because the running speed of the parallel structure FPGA platform with NiosⅡsoft core processor as the core. The IP core of each module of this architecture were designed and the overall SOPC system of interleaved APFC convert was constructed in this paper. Experimental results of 800 W prototype show that this method has good power factor correction effect, good peak current limiting and fast dynamic response.
Key words : serial structure；interleaved APFC,；SOPC,；parallel structure

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等優(yōu)點，更能適合電力電子裝置高大功率場合發(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)來說，存在著運行速度慢,、效率低及動態(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,，開發(fā)基于并行結(jié)構(gòu)的APFC控制器對于提升系統(tǒng)的整體性能、解決電網(wǎng)諧波污染問題具有十分重要的現(xiàn)實意義,。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APFC變換器架構(gòu)，并通過一個800 W的樣機測試結(jié)果來驗證了本方案的正確性與有效性,。

1 基于SOPC的交錯APFC系統(tǒng)架構(gòu)

    圖1示出基于SOPC的交錯APFC變換器架構(gòu),。該架構(gòu)的控制核心為一款性價比較高的FPGA，其不僅擁有豐富的I/O端口和強大的并行運算能力,，而且還支持NiosⅡ嵌入式軟核處理器,，為整個系統(tǒng)的開發(fā)提供了良好的平臺?？刂品椒ú捎昧穗p環(huán)PI控制,，被測模擬信號經(jīng)AD轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，送入FPGA（圖1虛線框部分）進行處理后生成兩路PWM信號,，對主電路并聯(lián)的兩個Boost電路進行交錯控制,，從而有效地減少了開關(guān)器件的應(yīng)力，降低了電子器件選取及系統(tǒng)設(shè)計的難度,，提高了系統(tǒng)的輸出功率等級,。

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2 PI控制器的設(shè)計

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2.1 電流環(huán)PI控制器

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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)速度遠小于電流內(nèi)環(huán),，但在APFC中,，為防止vo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fcv盡可能地小于100 Hz為宜,。本文選取fcv為10 Hz,，由文獻[12]知Gvi(s)的傳遞函數(shù)為：

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    其中kv取0.01,。將各參數(shù)值代入式(4)，當(dāng) Gvc(s)的比例系數(shù)取0.04,，積分系數(shù)取1.88時,，可得Gv(s)的頻率響應(yīng)如圖4所示?？芍?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°,，滿足設(shè)計要求。

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3 SOPC系統(tǒng)構(gòu)建

3.1 前端數(shù)據(jù)采集

    在設(shè)計的交錯APFC變換器中,，需要同時采集系統(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,，故選用了四通道十二位同步數(shù)據(jù)采集器AD7874[13],。因NiosⅡ的工作時鐘通常在100 MHz或以上，這遠遠大于AD7874的工作時鐘,，為解決兩者間時鐘嚴(yán)重不匹配的問題,，采用了一個異步高速的FIFO來對AD7874轉(zhuǎn)換所得的數(shù)據(jù)進行緩沖存儲。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)計前端數(shù)據(jù)采集模塊能正確按照AD的工作時序完成外部數(shù)據(jù)的采集、轉(zhuǎn)換及存儲,。

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3.2 自定制Avalon外設(shè)

    因基于NiosⅡ軟核處理器設(shè)計的SOPC系統(tǒng)是靠Avalon總線對外設(shè)進行訪問,，因此在構(gòu)建交錯APFC的SOPC系統(tǒng)時，自定制了符合Avalon總線接口的外設(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,。

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3.3 系統(tǒng)總體構(gòu)建

    將已設(shè)計好的各分模塊依據(jù)圖2進行連接,，得到了由圖8示出的交錯APFC的總體SOPC系統(tǒng)構(gòu)建圖。圖中PLL為全數(shù)字鎖相環(huán),，其輸入接外部時鐘,，經(jīng)倍頻后得到3路時鐘信號，分別供給NiosⅡ軟核處理器、前端數(shù)據(jù)采集ad_fifo及存儲器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,，證實該系統(tǒng)能成功嵌入FPGA中,。

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4 實驗結(jié)果

    為驗證本文理論的正確性，采用Altera-EP2C8Q 208C作為數(shù)字控制器,，實現(xiàn)了基于圖1的800 W樣機實驗系統(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vo=395 V,，開關(guān)頻率fS=65 kHz,，輸出電容Co=390 μF，升壓電感L=L1=L2=250 μH,。

    圖9示出了實驗樣機的實測波形,。其中圖9(a)與圖9(b)分別為變換器低壓、高壓滿載下的交流側(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,、高壓滿載下功率開關(guān)管的漏源電壓與電流波形：可知開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷呈現(xiàn)出相互交錯的狀態(tài)，且在電流上升到峰值時,，開關(guān)管會迅速關(guān)斷,，證實系統(tǒng)能正確實現(xiàn)交錯控制，且具有較強的峰值限流能力,。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),，且無明顯的過沖現(xiàn)象,，波動峰峰值小于輸出電壓的5%，證實系統(tǒng)具有動態(tài)響應(yīng)快,，輸出電壓波動小的特點,。

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5 結(jié)論

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

參考文獻

[1] 蔣林,，王海唐,，吳俊.基于自主均流技術(shù)的功率因素校正電路的研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016,，42(5)：128-130,，134.

[2] 江劍峰，曹中圣,，楊喜軍,，等.采用雙環(huán)控制并聯(lián)交錯模擬PFC的研究[J].電力電子技術(shù)，2011,，45(9)：95-97.

[3] 杜志勇,，王鮮芳，星輝.一種新型的單級功率因素校正AC/DC變換器的設(shè)計[J].電力系統(tǒng)保護與控制,，2015,，41(1)：21-24.

[4] CHAN C H，PONG M H.Interleaved boost power factor corrector operating in discontinuous- inductor-current Mode[C].Proc.of Power Conversion Conference.1997,，1(8)：405-410.

[5] OLAYIWOLA  A,，SOCK B，ZOLGHADRI M R A,，et al.Digital controller for a Boost PFC converter in continuous conduction mode[C].Industriol Electronics and Applications,，2006 IST IEEE Conference on.2006.

[6] 呂偉強，崔國棟,，王超,，等.大功率雙路交錯并聯(lián)APFC模塊的設(shè)計與實現(xiàn)[J].激光與紅外，2015,，45(4)：389-392.

[7] 黃燦勝,，蔣志年.單相Boost有源功率因素校正電路的研究[J].電源技術(shù)，2014,，38(5)：938-940.

[8] 周獎,，陸翔，龔仁喜.基于交錯并聯(lián)Boost PFC的整流器設(shè)計[J].科學(xué)技術(shù)與工程,，2013,，13(7)：1961-1964，1974.

[9] 趙相瑜,，袁繼敏,，王艷碩.交錯并聯(lián)Boost PFC電路的應(yīng)用研究[J].電力電子技術(shù)，2010,，44(1)：65-67.

[10] 陳巍,，王國富,，張法金，等.一種新型高功率因素電源的設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用,，2014,，40(11)：60-63.

[11] 鄒濤，周小方.基于FPGA的交錯并聯(lián)PFC的研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù),，2015,，38(8)：120-123.

[12] 孫宏宇，王婕.交錯并聯(lián)Boost PFC電路數(shù)學(xué)建模與仿真[J].電源世界,，2014,，27(9)：26-29，25.

[13] AD7874 Data sheet[Z].Analog Devices Inc.



作者信息：

閻昌國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）

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