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弓1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IEC100032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L/aTOC\o"1-5"\h\z一-r1 1.1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J।, 2.8A0s5/i. ft'ms-0]I2 i 9~I?图2相应于输入功率500W的PFC预调整器AC输入电流波形

0| 0.9I.B 8.2储10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1000WArmfi-谐浓也独图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L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05IL。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.i8Arms。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、IEC100032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28A,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43Arms，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31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。311DC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II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。IIClock —ILI计钊「MCUp.w.mU'FlipFlop —J触发器Conip^uator比较渊图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）。32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%、5。％和1。。%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=220FAC输入线路电压Vline=220V,Vout=400V,输出功率从0至U400W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与输出电流变化量o此间的关系为%）=50 out（A）⑴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（ ）对检测的误差（）进行补偿。于是，新形成的占空因数为%=n-i（%）+ （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，去计算静态误差和它的变化速率 /,如图9所示。33静态和动态误差补偿331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nn=VoubVtgt@tn（3）为了补偿该误差，微控制器需要计算电流变化量（oUt,以在固定时间（）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。 ou可用式（4）表示out=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%）=-50C=S n（5）n=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（）。若选择C=220Ft=50m（比采样周期时间多于5倍），可以得到： 格）=一5。n=—0.22n（）例如，若检测10V的欠电压，占空因数将增加22%,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/（t=）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，它可表示为=C8）ST9

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愉丑5%电流产•：器T/nil -r4u=4OOVLoad负载\220pF图8数字PFC预调节器电压调整原理简图图9输出电压静态误差及其变化速率d/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）可得到的变化量（）=-50 -50C=Dd （V）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=220F并选取dt=i0ms,根据式（9）可得%）=-1.1dio）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%）=S+Dd（V））在式（11）中，S=—50C/tD=150C/dt。在选择C=220Ft=50ms和dt=ioms情况下，式（ii）变为%）=—0.22—l.ld （12）34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100。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。35安全功能通过微控制器A/D转换器每s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15Vpp（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04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（11）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