基础知识：通过DFF控制改善功率因数与THD

作者：Bosheng Sun

几十年来，平均电流模式控制一直用于功率因数校正 (PFC)，而且在商业市场也有各种采用这种控制算法的 PFC 控制芯片。

图 1 是这种平均电流模式控制的形象介绍。

图 1. PFC 的平均电流模式控制

通常认为，平均电流模式控制的性能可充分满足大部分 50/60Hz AC 线路输入的商用电源应用需求。但是，传统平均电流模式控制会使电感器电流领先于输入电压，导致不统一的基本位移功率因数与过零失真。在 PFC 工作在高频率 AC 环境下时，这种情况会变得更糟糕，例如工作在 400Hz 下的机载系统。这些系统所需的高质量输入电流很难通过传统控制方法实现。一种名为占空比前馈 (DFF) 控制的最新控制方法可有效降低高线路频率下的输入电流失真^1/2/3。

DFF 控制的基本构想是预先计算占空比，以减轻反馈控制器的任务。对于工作在连续传导模式下的升压拓扑来说，占空比 d_FF 的计算公式为：

公式 1

该占空比模式在开关两端产成一个电压，其在整个开关周期内的平均值等于整流输入电压。常规电流环路补偿器会围绕这个计算出的占空比模式改变占空比。

由于升压电感器在线路频率下的阻抗非常低，因此很小的占空比变化就会在整个电感器上产生足够的电压，以生成所需的正弦电流波形。

图 2. PFC 的占空比前馈控制

图 2 是获得的控制方案。公式 1 可计算前馈占空比 d_FF。然后它可添加至传统平均电流模式控制输出 d_I。最终的占空比 d 可用来生成控制 PFC 的脉宽调制 (PWM) 波形。

使用 DFF 控制时，需要很多数学计算。CPU 的速度可决定控制环路的速度，进而影响环路带宽。更快的 CPU 就意味着可实现更高的带宽。然而，这也意味着更高的成本与功耗。

当我使用德州仪器 (TI) 数字控制器 UCD3138 实施这一控制算法时，我利用 UCD3138 的硬件数字补偿器以相对较低的 CPU 速度实现了高带宽。

UCD3138 中的数字补偿器是一个增加了一个 α 的传统 PID 结构，可提供双极双零补偿（图 3）。P、I 和 D 是三个独立分支，合并输出后可生成最终的控制信号。数字补偿器运行速率高达 2MHz。由于 PFC 电流环路是一阶系统，因此通常情况下 PI 控制器已足够进行补偿。这可腾出 D 分支，用来提高 DFF 控制速度。

仔细观察图 2。尽管 I_REF 和 d_FF 由速度有限的 CPU 计算，但数字补偿器和 PWM 生成器是 UCD3138 的硬件，因此它们的运行速度更快。这就意味着 d_I 能以高速进行计算。因而其实 d_FF + d_I = d，其可降低控制环路速度。如果 d_FF + d_I = d 也能通过硬件完成，那么不仅整个环路速度会比以前快，而且带宽也会提高。

图 3. UCD3138 的 PID 结构

D 分支有两个高级特性：

1. 输出可设置为预定义值
2. 它可能会中止（冻结），使其输出维持当前值

我们可利用这两个特性增强 DFF 控制。

例如，电流控制环路必须是 100KHz，但由于 CPU 速度的限制，d_FF 最多只能在 50KHz 速率下进行计算。完成计算后，将 D 分支输出预设为 d_FF，然后中止。尽管 d_FF 在 50kHz 下计算，但是 P、I 和 d = P + I + d_FF 都在更快的 100KHz 速率下运行，因此 PWM 可在 100kHz 下更新。有效的控制环路将在 100kHz 下运行。该过程请参见图 4。

图 4. 将 DFF 与 UCD3138 PID 结构结合

有了更快的控制环路速度，就可提高带宽，从而改善 THD 和 PF。UCD3138 的独特结构可提供改进的 DFF 实施方案。

原文请参见: http://e2e.ti.com/blogs_/b/powerhouse/archive/2014/05/09/how-to-improve-power-factor-correction-with-dff.aspx

审核编辑：符乾江