带非正弦波电流的新颖数字式功率因数校正技术

带非正弦波电流的新颖数字式功率因数校正技术 摘要：数字式功率因数校正（PFC）技术利用标准的微控制器履行PFC控制和调节，允许从电网产生的非正弦电流波形合成，使其幅值适应特定的需要，电流谐波含量在标准确定的限制之内，总体功率因数非常接近于1。像快速电流环路、电压调整、安全功能这样的其它特征也可以被履行。关键词：非正弦波电流；数字式功率因数校正；微控制器 1引言 迄今为止，基于功率因数校正（PFC）控制器IC的有源PFC（升压）预调节器，不论是工作于不连续导电模式（DCM），还是工作于连续导电模式（CCM），其控制和调节的结果，都是在系统AC电压输入端产生与AC输入电压同相位的正弦波电流，使线路功率因数（PF）趋于1。 一种基于标准微控制器（如ST9）和UC3843电流型PWM控制器的PFC升压式预调节器，利用新颖的数字PFC技术，在系统AC电压输入端产生非正弦波电流，同样能使其电流谐波含量满足IEC1000?3?2等标准的限制要求，系统功率因数接近于1。该数字PFC的静态和动态响应，对于许多应用尤其是工业中电机驱动和家电领域中的应用，都可以满足其性能要求和安全要求。 2基本方案与设计思路 与在桥式整流器输入端产生正弦波电流的有源PFC预调节器一样，采用升压式拓扑结构，在AC线路输入端产生一个非正弦波电流，顶部比较平坦且宽度较大，如图1所示。这种简单的解决方案将电流谐波电平置于标准限值之下。 在图1所示的AC输入电源电流（Imains）波形中，设平顶限制电流值为IL，在AC输入电压的每个半周期的开始与结束时刻附近，即AC输入电压为0或比 图1PFC预调节器在AC电压输入端产生非正弦波电流 带非正弦波电流的新颖数字式功率因数校正技术 图2相应于输入功率500W的PFC预调整器AC输入电流波形 图4稍微改变上升沿和下降沿时刻，产生5A的 AC输入电流，相应输入功率为1000W 图5图4所示的电流波形奇次谐波测试值与标准限制值比较 图3图2所示的电流波形奇次谐波与标准限制比较 图6基于ST9和UC3843的数字PFC 升压预调节器组成简化图 较低时，AC输入电流为0或取0?5IL。这种电流波形包含谐波分量，但每一个高次谐波分量必须保持在标准规定的限制之内。利用付立叶变换可以计算出保持谐波在允许值的IL的最大值。一个输入功率为500W的PFC预调节器的AC输入电流如图2所示。由图2可知，在2～8ms之间，IL=2.8A，50Hz的基波电流是2.18Arms。 图3示出了图2所示的电流波形的奇次谐波实测值与标准（如IEC555、IEC1000?3?2和EN6055）规定的限制值之比较。其中，19次和21次谐波主要限制AC输入电流IL最大许可值达到2?8A，限制可利用的功率达到500W。 理想的电流波形允许有效的输入功率增加。通过稍微改变电流上升沿和下降沿的时间，在AC输入端可以产生5A的线路电流，基波电流为4?3Arms，有效的输入功率达1000W。这种AC输入电流波形如图4所示。图5为其奇次电流谐波测试值与标准限制之对比。从图5可以发现，电流谐波发生了变化，19次和21次谐波幅值减小，而3次和5次谐波值却增加，但并不超过标准规定限值。 3基本拓扑结构与工作原理 3?1数字PFC预调节器基本拓扑结构及调节环路 基于ST9微控制器和UC3843电流型PWM控制IC的数字PFC升压式预调节器组成简图如图6所示。该拓扑结构通过负载传递所需要的功率，并在AC电压输入端产生非正弦波电流。AC输入电流的控制和所需要的DC输出电压调节，是通过两个闭环实现的。 3?1?1DC输出电压调整环路 当负载变化时，为保持PFC预调节器DC输出电压不变，利用电阻分压器对输出电压进行检测（取样），同时还利用了ST9微控制器的一个信道监测输出电压。电流调节环路的设定值利用输出DC电压的变动来计算，并由PWM型微控制器内的一个定时器提供。在经过滤波之后，得到一个参考电压Vref。 3.1.2电流调节环路 电流调节环路以比较器、触发器和功率开关晶体管为基础，来控制电流波形。输出电压调节环路给出的滤波后的PWM参考电压Vref，与电感侧电压相比较，确定通过斩波晶体管中的峰值电流IL。晶体管中 图7数字PFC预调节器相关波形 的PWM电流通过来自微控制器的时钟被同步，图7示出了相关电压和电流波形。 在时钟脉冲上升沿，触发器置位，功率晶体管导通，电感器L中电流增加。当电流达到由Vref给出的限制IL时，触发器复位，功率晶体管截止。UC3843内含一个比较器、一个触发器和一个15V的缓冲器，能直接驱动PFC开关（MOSFET）。 3?2整形AC输入电流波形及电压调节原理 为了得到图2所示的电流波形，必须计算IL值。电流波形在AC线路电压过零时同步，利用微控制器A/D转换器的一个通道来执行过零检测。在检测之后新产生的占空因数随AC线路电压过零被应用。0％、50％和100％三个系数自动地应用于每个（半）周期特定时刻（1、2、8和9ms）的PWM值上。 为研究电压调整原理，可借助于图8所示的简化图。选取Cout=220μF，AC输入线路电压Vline=220V，Vout=400V，输出功率从0到400W变化。在负载变化时，电压调整环路保持输出电压（Vout）恒定。通过开环中测量，得到的占空因数变化量Δδ与输出电流变化量ΔIout之间的关系为 Δδ(％)=50×ΔIout(A)(1) 微控制器借助于A/D转换器，在每一个正弦周期之内取样一次输出电压值，通过计算测量与存储在存储器中的输出电压目标值（Vtgt）之间的差异，根据先前PWM占空因数的变更（±Δδ）对检测的误差（ε）进行补偿。于是，新形成的占空因数为 δ％=δn－1(％)＋Δδ(2) 为实现静态和动态输出电压的调整，微控制器利用两个相邻的输出电压采样，去计算静态误差ε和它的变化速率dε/dt，如图9所示。 3?3静态和动态误差补偿 3?3?1静态误差补偿 微控制器对于输出电压的每一个采样值，计算出其与存入存储器中的目标电压Vtgt之间的误差εn εn=Vout－Vtgt@tn(3) 为了补偿该误差，微控制器需要计算电流变化量（ΔIout），以在固定时间（Δt）期间，完成对电容器的充电。该时间值的选择，给出电压补偿的响应时间。ΔIout可用式（4）表示 ΔIout=－C（4） 根据式（1）和式（4），可以得到为补偿电压误差需要的占空因数的变化 Δδ(％)=－50C=S·εn(5) 式（5）中，S为静态补偿参数，它取决于输出电容器的电容值和所确定的响应时间（Δt）。 若选择C=220μF，Δt=50ms（比采样周期时间多于5倍），可以得到：Δδ(％)=－50··εn=－0.22εn(6) 例如，若检测10V的欠电压，占空因数将增加2?2％，50ms后面的电压变化将完全被抵消。 3.3.2动态补偿 在两个相邻的输出电压取样中，涉及先前的测量，微控制器计算误差变化率dε/dt=（7） 输出电压变化率来自输出电容器输入电流和输出电流之差ΔI，它可表示为ΔI=C（8） 图8数字PFC预调节器电压调整原理简图 图9输出电压静态误差ε及其变化速率dε/dt取样示意图 () 带非正弦波电流的新颖数字式功率因数校正技术 根据式（1）和式（8）可得到δ的变化量δ(％)=－50ΔI=－50C=D·dε(V)（9） 动态补偿参数D取决于输出电容（C）和两个相邻测量之间的时间间隔（dt），该参数与静态参数S一样，必须适应专门的应用，并存入微控制器存储器中。由于选取C=220μF，并选取dt=10ms，根据式（9）可得 Δδ(％)=－1.1·dε(10) 例如，若在两个相邻测量之间检测电压是50V，占空比必须增加55％，并立即停止该电压变化速率。 根据式（5）和式（9）可得，在每一次电压测量之后，占空因数总的变动可表示为 Δδ(％)=S·εn＋D·dε(V)（11） 在式（11）中，S=－50C/Δt，D=－50C/dt。在选择C=220μF、Δt=50ms和dt=10ms情况下，式（11）变为 δ(％)=－0.22εn－1.1dε(V)（12） 3?4电压测量和过零检测程序 为了获得良好的抗噪扰性能，避免错误的电压测量，采用带软件的数字滤波器可以履行这一功能。滤波器使三次输出电压测量进行平均，每次测量间隔100μs。 为使电流波形与AC输入电压同步，通过软件进行过零检测。每1ms上的AC电压被感测，在周期结束之前，A/D转换器变化到连续变换模式。当输出电压通过50V时，一个跨零信号经过0.5ms延迟之后产生。在没有跨零检测时，利用电流时基定时器保持同步。 3?5安全功能 通过微控制器A/D转换器每μs对输出电压进行自动测量一次，软件安全有可靠保证。当输出电压达到450V时，输出过电压检测将停止PFC。当输出电压降至420V以下时，系统再次启动。借助于其它A/D转换器信道，依靠软件支持，其它的安全功能有以下几个方面： 1）功率MOSFET栅极电压监视当栅极电压低于13V时，系统停止运行； 2）DC输出电压监视在接通时如果输出电压高于预确定值，仅PFC功能启动； 3）AC输入电压监视如果AC输入电压太低，系统则停止操作； 4）短路检测与保护。 4实际应用与效果 一个实际的数字PFC升压预调节器电路如图10所示。在图10中，TDA8139的15V和5V输出，为UC3843和ST90E30提供工作电压。PFC升压变换器DC输出电压是400V，加载一个400W的电阻性负载。PFC借助于ST9微控制器的一个多功能定时器（用于PWM产生）和A/D转换器的三个信道（用于电压监视）去控制。微控制器的大多数特征和CPU占用时间空闲，因而它同时可以控制一个被结合的复杂应用。微控制器包含的主要闲置功能包括一个多功能定时器、4个A/D转换器通道、一个串行通信接口（SC1）、一个串行外部接口（SP1）、一个看门狗定时器和存储器存取控制器。ST9微控制器能管理和控制PFC预调整器和三相感应电机驱动变换器，同时还结合总线（BUS）管理。 对于400W的负载，采用数字PFC预调节电路的AC输入电流波形与未采用PFC时电流波形比较如图11所示。 采用了数字PFC后，AC输入电流与AC电压同相位，输出电压纹波仅为15Vp?p（降低60％左右），峰值AC输入电流由7A降至2A。当AC输入电压从140V升至300V时，DC输出电压（400V）变化量低于2％。利用付立叶变换原理对AC输入电流的谐波进行测试，采用数字PFC和未采用时的测量结果如表1所列。 表1谐波电流测试结果比较ImainsPRL=400W谐波n（次） 12345 带PFCIrms/A1.801.700.070.2500 无PFCIrms/A3.02.01.01.01.00 从表1可知，采用数字PFC后的电流谐波明显减小。尽管在桥式整流器输入端产生的是非正弦波电流，但系统功率因数仍可达0.99，比不采用PFC提高0?4左右。 数字PFC还具有优良的动态响应特性。当负载从50W到450W变化时，最大瞬态输出电压仅40V，并在100ms之内回复到设定值（400V）。 5结语 综上所述，带非正弦波电流的数字PFC为PFC 德州仪器推出新型即用电源模块 为加速设计产品的上市时间，德州仪器公司(TI)日前宣布推出基于其SWIFTTMDC/DC转换器的新型即用电源模块。该模块可提供高达6A的输出电流及较低的输入电压，所有这些均集中于外形小巧、功能齐全、并可直接焊接到系统主板上的解决方案中。这款易用型SWIFT模块适用于负载点应用，如通信、联网、计算机及各种其它应用中的数字信号处理器(DSP)、ASIC、FPGA、微处理器与微控制器等。 TI的PT5400SWIFT电源模块将TPS54610SWIFT调节器与所需的外部组件进行了完美结合，形成了具有3.3V与5V的输入电压以及1.0～3.3V输出电压的全套电源解决方案。通过添加外电阻器可实现更高级的输出电压调节。该模块的效率极高，在输出电流为4A时效率为93％。该电源模块在设计方面的灵活性及保护功能还包括短路保护、待机、输出禁止和热关断。 图10基于ST9和UC3843的数字PFC电路 图11带数字PFC与未采用PFC时AC输入电流波形比较 (a)不带PFC (b)带PFC 技术提供了一种新的方法。这种方法同样能保证AC输入电流谐波畸变不超过标准规定的限制，系统功率因数接近于1。