0 引言

    隨著電力電子裝置在日常生活中的廣泛應用，由此引發(fā)的電網(wǎng)諧波污染也日益嚴重，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中，控制器作為核心，在提升系統(tǒng)性能與提高轉換效率等方面發(fā)揮著至關重要的作用。就目前的APFC架構來說，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構式(如MCU^[7-8]、DSP^[9-10])有極大的關系。因此，開發(fā)基于并行結構的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技術控制的并行結構交錯APFC變換器架構，并通過一個800 W的樣機測試結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

    圖1示出基于SOPC的交錯APFC變換器架構。該架構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。控制方法采用了雙環(huán)PI控制，被測模擬信號經(jīng)AD轉換為數(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器件的應力，降低了電子器件選取及系統(tǒng)設計的難度，提高了系統(tǒng)的輸出功率等級。

2 PI控制器的設計

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)的響應速度遠小于電流內環(huán)，但在APFC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[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 G_vc(s)的比例系數(shù)取0.04，積分系數(shù)取1.88時，可得G_v(s)的頻率響應如圖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°，滿足設計要求。

3 SOPC系統(tǒng)構建

3.1 前端數(shù)據(jù)采集

    在設計的交錯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重不匹配的問題，采用了一個異步高速的FIFO來對AD7874轉換所得的數(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所示的功能仿真結果。結果表明，所設計前端數(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、轉換及存儲。

3.2 自定制Avalon外設

    因基于NiosⅡ軟核處理器設計的SOPC系統(tǒng)是靠Avalon總線對外設進行訪問，因此在構建交錯APFC的SOPC系統(tǒng)時，自定制了符合Avalon總線接口的外設PWM、電壓PI控制器及電流PI控制器模塊。其結果如圖7所示，可知自定制Avalon外設各模塊均能順利的添加到SOPC系統(tǒng)中。

3.3 系統(tǒng)總體構建

    將已設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。

4 實驗結果

    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，開關頻率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管的漏源電壓與電流波形：可知開關管的導通與關斷呈現(xiàn)出相互交錯的狀態(tài)，且在電流上升到峰值時，開關管會迅速關斷，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)負載下的輸出電壓（示波器已設置-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，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)響應快，輸出電壓波動小的特點。

5 結論

    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技術實現(xiàn)的交錯APFC變換器架構，給出了有效的控制器設計、前端數(shù)據(jù)處理、自定制Avalon外設及SOPC系統(tǒng)構建的實現(xiàn)方法。最后在800W的實驗樣機上實現(xiàn)了文中所提架構的交錯APFC變換器，實驗結果證實該架構是正確可行的，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1，龔仁喜2，劉小雍1

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