帶非正弦波電流的新穎數字式功率因數校正技術摘要：數字式功率因數校正（PFC）技術利用標準的微控制器履行PFC控制和調節，允許從電網產生的非正弦電流波形合成，使其幅值適應特定的需要，電流諧波含量在標準確定的限制之內，總體功率因數非常接近于1。像快速電流環路、電壓調整、安全功能這樣的其它特征也可以被履行。關鍵詞：非正弦波電流；數字式功率因數校正；微控制器1弓1言迄今為止，基于功率因數校正（PFC）控制器IC的有源PFC（升壓）預調節器，不論是工作于不連續導電模式（DCM）,還是工作于連續導電模式（CCM）,其控制和調節的結果，都是在系統AC電壓輸入端產生與AC輸入電壓同相位的正弦波電流，使線路功率因數（PF）趨于1。一種基于標準微控制器（如ST9）和UC3843電流型PWM控制器的PFC升壓式預調節器，利用新穎的數字PFC技術，在系統AC電壓輸入端產生非正弦波電流，同樣能使其電流諧波含量滿足IEC100032等標準的限制要求，系統功率因數接近于1。該數字PFC的靜態和動態響應，對于許多應用尤其是工業中電機驅動和家電領域中的應用，都可以滿足其性能要求和安全要求。2基本方案與設計思路與在橋式整流器輸入端產生正弦波電流的有源PFC預調節器一樣，采用升壓式拓撲結構，在AC線路輸入端產生一個非正弦波電流，頂部比較平坦且寬度較大，如圖1所示。這種簡單的解決方案將電流諧波電平置于標準限值之下。在圖1所示的AC輸入電源電流（Imains）波形中，設平頂限制電流值為IL,在AC輸入電壓的每個半周期的開始與結束時刻附近，即AC輸入電壓為0或比L/aTOC\o"1-5"\h\z一-r1 1.1圖1PFC預調節器在AC電壓輸入端產生非正弦波電流帶非正弦波電流的新穎數字式功率因數校正技術J?, 2.8A0s5/i. ft'ms-0]I2 i 9~I?圖2相應于輸入功率500W的PFC預調整器AC輸入電流波形

0| 0.9I.B 8.2儲10圖4稍微改變上升沿和下降沿時刻，產生5A的AC輸入電流，相應輸入功率為1000WArmfi-諧濃也獨圖5圖4所示的電流波形奇次諧波測試值與標準限制值比較圖3圖2所示的電流波形奇次諧波與標準限制比較L圖6基于ST9和UC3843的數字PFC升壓預調節器組成簡化圖較低時，AC輸入電流為0或取05IL。這種電流波形包含諧波分量，但每一個高次諧波分量必須保持在標準規定的限制之內。利用付立葉變換可以計算出保持諧波在允許值的IL

的最大值。一個輸入功率為500W的PFC預調節器的AC輸入電流如圖2所示。由圖2可知，在2?8ms之間，IL=2.8A,50Hz的基波電流是2.i8Arms。圖3示出了圖2所示的電流波形的奇次諧波實測值與標準（如IEC555、IEC100032和EN6055）規定的限制值之比較。其中，19次和21次諧波主要限制AC輸入電流IL最大許可值達到28A,限制可利用的功率達到500W。理想的電流波形允許有效的輸入功率增加。通過稍微改變電流上升沿和下降沿的時間，在AC輸入端可以產生5A的線路電流，基波電流為43Arms，有效的輸入功率達1000W。這種AC輸入電流波形如圖4所示。圖5為其奇次電流諧波測試值與標準限制之對比。從圖5可以發現，電流諧波發生了變化，19次和21次諧波幅值減小，而3次和5次諧波值卻增加，但并不超過標準規定限值。3基本拓撲結構與工作原理31數字PFC預調節器基本拓撲結構及調節環路基于ST9微控制器和UC3843電流型PWM控制IC的數字PFC升壓式預調節器組成簡圖如圖6所示。該拓撲結構通過負載傳遞所需要的功率，并在AC電壓輸入端產生非正弦波電流。AC輸入電流的控制和所需要的DC輸出電壓調節，是通過兩個閉環實現的。311DC輸出電壓調整環路當負載變化時，為保持PFC預調節器DC輸出電壓不變，利用電阻分壓器對輸出電壓進行檢測（取樣），同時還利用了ST9微控制器的一個信道監測輸出電壓。電流調節環路的設定值利用輸出DC電壓的變動來計算，并由PWM型微控制器內的一個定時器提供。在經過濾波之后，得到一個參考電壓Vref。3.1.2電流調節環路II電流調節環路以比較器、觸發器和功率開關晶體管為基礎，來控制電流波形。輸出電壓調節環路給出的濾波后的PWM參考電壓Vref,與電感側電壓相比較，確定通過斬波晶體管中的峰值電流IL。IIClock —ILI計釗「MCUp.w.mU'FlipFlop —J觸發器Conip^uator比較淵圖7數字PFC預調節器相關波形的PWM電流通過來自微控制器的時鐘被同步，圖7示出了相關電壓和電流波形。在時鐘脈沖上升沿，觸發器置位，功率晶體管導通，電感器L中電流增加。當電流達到由Vref給出的限制IL時，觸發器復位，功率晶體管截止。UC3843內含一個比較器、一個觸發器和一個15V的緩沖器，能直接驅動PFC開關（MOSFET）。32整形AC輸入電流波形及電壓調節原理為了得到圖2所示的電流波形，必須計算IL值。電流波形在AC線路電壓過零時同步，利用微控制器A/D轉換器的一個通道來執行過零檢測。在檢測之后新產生的占空因數隨AC線路電壓過零被應用。0%、5。％和1。。%三個系數自動地應用于每個（半）周期特定時刻（1、2、8和9ms）的PWM值上。為研究電壓調整原理，可借助于圖8所示的簡化圖。

選取Cout=220FAC輸入線路電壓Vline=220V,Vout=400V,輸出功率從0至U400W變化。在負載變化時，電壓調整環路保持輸出電壓（Vout）恒定。通過開環中測量，得到的占空因數變化量與輸出電流變化量o此間的關系為%）=50 out（A）⑴微控制器借助于A/D轉換器，在每一個正弦周期之內取樣一次輸出電壓值，通過計算測量與存儲在存儲器中的輸出電壓目標值（Vtgt）之間的差異，根據先前PWM占空因數的變更（ ）對檢測的誤差（）進行補償。于是，新形成的占空因數為%=n-i（%）+ （2）為實現靜態和動態輸出電壓的調整，微控制器利用兩個相鄰的輸出電壓采樣，去計算靜態誤差和它的變化速率 /,如圖9所示。33靜態和動態誤差補償331靜態誤差補償微控制器對于輸出電壓的每一個采樣值，計算出其與存入存儲器中的目標電壓Vtgt之間的誤差nn=VoubVtgt@tn（3）為了補償該誤差，微控制器需要計算電流變化量（oUt,以在固定時間（）期間，完成對電容器的充電。該時間值的選擇，給出電壓補償的響應時間。 ou可用式（4）表示out=C（4）根據式（1）和式（4），可以得到為補償電壓誤差需要的占空因數的變化%）=-50C=S n（5）n=式（5）中，S為靜態補償參數，它取決于輸出電容器的電容值和所確定的響應時間（）。若選擇C=220Ft=50m（比采樣周期時間多于5倍），可以得到： 格）=一5。n=—0.22n（）例如，若檢測10V的欠電壓，占空因數將增加22%,50ms后面的電壓變化將完全被抵消。3.3-2動態補償在兩個相鄰的輸出電壓取樣中，涉及先前的測量，微控制器計算誤差變化率/（t=）輸出電壓變化率來自輸出電容器輸入電流和輸出電流之差，它可表示為=C8）ST9

尸WM

愉丑ST9

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愉丑5%電流產?：器T/nil -r4u=4OOVLoad負載\220pF圖8數字PFC預調節器電壓調整原理簡圖圖9輸出電壓靜態誤差及其變化速率d/dt取樣示意圖帶非正弦波電流的新穎數字式功率因數校正技術根據式（1）和式（8）可得到的變化量（）=-50 -50C=Dd （V）動態補償參數D取決于輸出電容（C）和兩個相鄰測量之間的時間間隔（dt）,該參數與靜態參數S一樣，必須適應專門的應用，并存入微控制器存儲器中。由于選取C=220F并選取dt=i0ms,根據式（9）可得%）=-1.1dio）例如，若在兩個相鄰測量之間檢測電壓是50V,占空比必須增加55%,并立即停止該電壓變化速率。根據式（5）和式（9）可得，在每一次電壓測量之后，占空因數總的變動可表示為%）=S+Dd（V））在式（11）中，S=—50C/tD=150C/dt。在選擇C=220Ft=50ms和dt=ioms情況下，式（ii）變為%）=—0.22—l.ld （12）34電壓測量和過零檢測程序為了獲得良好的抗噪擾性能，避免錯誤的電壓測量，采用帶軟件的數字濾波器可以履行這一功能。濾波器使三次輸出電壓測量進行平均，每次測量間隔100。為使電流波形與AC輸入電壓同步，通過軟件進行過零檢測。每1ms上的AC電壓被感測，在周期結束之前，A/D轉換器變化到連續變換模式。當輸出電壓通過50V時，一個跨零信號經過0.5ms延遲之后產生。在沒有跨零檢測時，利用電流時基定時器保持同步。35安全功能通過微控制器A/D轉換器每s對輸出電壓進行自動測量一次，軟件安全有可靠保證。當輸出電壓達到450V時，輸出過電壓檢測將停止PFC。當輸出電壓降至420V以下時，系統再次啟動。借助于其它A/D轉換器信道，依靠軟件支持，其它的安全功能有以下幾個方面：1）功率MOSFET柵極電壓監視當柵極電壓低于13V時，系統停止運行；2）DC輸出電壓監視在接通時如果輸出電壓高于預確定值，僅PFC功能啟動；3）AC輸入電壓監視如果AC輸入電壓太低，系統則停止操作；4）短路檢測與保護。4實際應用與效果一個實際的數字PFC升壓預調節器電路如圖10所示。在圖10中，TDA8139的15V和5V輸出，為UC3843和ST90E30提供工作電壓。PFC升壓變換器DC輸出電壓是400V,加載一個400W的電阻性負載。PFC借助于ST9微控制器的一個多功能定時器（用于PWM產生）和A/D轉換器的三個信道（用于電壓監視）去控制。微控制器的大多數特征和CPU占用時間空閑，因而它同時可以控制一個被結合的復雜應用。微控制器包含的主要閑置功能包括一個多功能定時器、4個A/D轉換器通道、一個串行通信接口（SC1）、一個串行外部接口（SP1）、一個看門狗定時器和存儲器存取控制器。ST9微控制器能管理和控制PFC預調整器和三相感應電機驅動變換器，同時還結合總線（BUS）管理。對于400W的負載，采用數字PFC預調節電路的AC輸入電流波形與未采用PFC時電流波形比較如圖11所示。采用了數字PFC后，AC輸入電流與AC電壓同相位，輸出電壓紋波僅為15Vpp（降低60%左右），峰值AC輸入電流由7A降至2A。當AC輸入電壓從140V升至300V時，DC輸出電壓（400V）變化量低于2%。利用付立葉變換原理對AC輸入電流的諧波進行測試，采用數字PFC和未采用時的測量結果如表1所列。表1諧波電流測試結果比較ImainsPRL=400W諧波n（次）12345帶PFCIrms/A1.801.700.070.2500無PFCIrms/A3.02.01.01.01.00從表1可知，采用數字PFC后的電流諧波明顯減小。盡管在橋式整流器輸入端產生的是非正弦波電流，但系統功率因數仍可達0.99，比不采用PFC提高04左右。數字PFC還具有優良的動態響應特性。當負載從50W到450W變化時，最大瞬態輸出電壓僅40V，并在100ms之內回復到設定值（400V）。5結語綜上所述，帶非正弦波電流的數字PFC為PFC德州儀器推出新型即用電源模塊為加速設計產品的上市時間，德州儀器公司（11）日前宣布推出基于其SWIFTTMDC/DC轉換器的新型即用電源模塊。該模塊可提供高達6A的輸出電流及較低的輸入電壓，所有這些均集中于外形小巧、功能齊全、并可直接焊接到系統主板上的解決方案中。這款易用型SWIFT模塊適用于負載點應用，如通信、聯網、計算機及各種其它應用中的數字信號處理器（DSP）、ASIC、FPGA、微處理器與微控制器等。TI的PT5400SWIFT電源模塊將TPS54610SWIFT調節器與所需的外部組件進行了完美結合，形成了