帶非正弦波電流的新穎數(shù)字式功率因數(shù)校正技術(shù)

摘要：數(shù)字式功率因數(shù)校正（PFC）技術(shù)利用標(biāo)準(zhǔn)的微控制器履行PFC控制和調(diào)節(jié)，允許從電網(wǎng)產(chǎn)生的非正弦電流波形合成，使其幅值適應(yīng)特定的需要，電流諧波含量在標(biāo)準(zhǔn)確定的限制之內(nèi)，總體功率因數(shù)非常接近于1。像快速電流環(huán)路、電壓調(diào)整、安全功能這樣的其它特征也可以被履行。關(guān)鍵詞：非正弦波電流；數(shù)字式功率因數(shù)校正；微控制器

1引言

迄今為止，基于功率因數(shù)校正（PFC）控制器IC的有源PFC（升壓）預(yù)調(diào)節(jié)器，不論是工作于不連續(xù)導(dǎo)電模式（DCM），還是工作于連續(xù)導(dǎo)電模式（CCM），其控制和調(diào)節(jié)的結(jié)果，都是在系統(tǒng)AC電壓輸入端產(chǎn)生與AC輸入電壓同相位的正弦波電流，使線路功率因數(shù)（PF）趨于1。

一種基于標(biāo)準(zhǔn)微控制器（如ST9）和UC3843電流型PWM控制器的PFC升壓式預(yù)調(diào)節(jié)器，利用新穎的數(shù)字PFC技術(shù)，在系統(tǒng)AC電壓輸入端產(chǎn)生非正弦波電流，同樣能使其電流諧波含量滿足IEC100032等標(biāo)準(zhǔn)的限制要求，系統(tǒng)功率因數(shù)接近于1。該數(shù)字PFC的靜態(tài)和動態(tài)響應(yīng)，對于許多應(yīng)用尤其是工業(yè)中電機(jī)驅(qū)動和家電領(lǐng)域中的應(yīng)用，都可以滿足其性能要求和安全要求。

2基本方案與設(shè)計(jì)思路

與在橋式整流器輸入端產(chǎn)生正弦波電流的有源PFC預(yù)調(diào)節(jié)器一樣，采用升壓式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在AC線路輸入端產(chǎn)生一個(gè)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(biāo)準(zhǔn)限值之下。

在圖1所示的AC輸入電源電流（Imains）波形中，設(shè)平頂限制電流值為IL，在AC輸入電壓的每個(gè)半周期的開始與結(jié)束時(shí)刻附近，即AC輸入電壓為0或比

圖1PFC預(yù)調(diào)節(jié)器在AC電壓輸入端產(chǎn)生非正弦波電流

帶非正弦波電流的新穎數(shù)字式功率因數(shù)校正技術(shù)

圖2相應(yīng)于輸入功率500W的PFC預(yù)調(diào)整器AC輸入電流波形

圖4稍微改變上升沿和下降沿時(shí)刻，產(chǎn)生5A的

AC輸入電流，相應(yīng)輸入功率為1000W

圖5圖4所示的電流波形奇次諧波測試值與標(biāo)準(zhǔn)限制值比較

圖3圖2所示的電流波形奇次諧波與標(biāo)準(zhǔn)限制比較

圖6基于ST9和UC3843的數(shù)字PFC

升壓預(yù)調(diào)節(jié)器組成簡化圖

較低時(shí)，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(gè)高次諧波分量必須保持在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限制之內(nèi)。利用付立葉變換可以計(jì)算出保持諧波在允許值的IL的最大值。一個(gè)輸入功率為500W的PFC預(yù)調(diào)節(jié)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2.18Arms。

圖3示出了圖2所示的電流波形的奇次諧波實(shí)測值與標(biāo)準(zhǔn)（如IEC555、IEC100032和EN6055）規(guī)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(dá)到28A，限制可利用的功率達(dá)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(shí)間，在AC輸入端可以產(chǎn)生5A的線路電流，基波電流為43Arms，有效的輸入功率達(dá)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(biāo)準(zhǔn)限制之對比。從圖5可以發(fā)現(xiàn)，電流諧波發(fā)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(biāo)準(zhǔn)規(guī)定限值。

3基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與工作原理

31數(shù)字PFC預(yù)調(diào)節(jié)器基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及調(diào)節(jié)環(huán)路

基于ST9微控制器和UC3843電流型PWM控制IC的數(shù)字PFC升壓式預(yù)調(diào)節(jié)器組成簡圖如圖6所示。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通過負(fù)載傳遞所需要的功率，并在AC電壓輸入端產(chǎn)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(diào)節(jié)，是通過兩個(gè)閉環(huán)實(shí)現(xiàn)的。

311DC輸出電壓調(diào)整環(huán)路

當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，為保持PFC預(yù)調(diào)節(jié)器DC輸出電壓不變，利用電阻分壓器對輸出電壓進(jìn)行檢測（取樣），同時(shí)還利用了ST9微控制器的一個(gè)信道監(jiān)測輸出電壓。電流調(diào)節(jié)環(huán)路的設(shè)定值利用輸出DC電壓的變動來計(jì)算，并由PWM型微控制器內(nèi)的一個(gè)定時(shí)器提供。在經(jīng)過濾波之后，得到一個(gè)參考電壓Vref。

3.1.2電流調(diào)節(jié)環(huán)路

電流調(diào)節(jié)環(huán)路以比較器、觸發(fā)器和功率開關(guān)晶體管為基礎(chǔ)，來控制電流波形。輸出電壓調(diào)節(jié)環(huán)路給出的濾波后的PWM參考電壓Vref，與電感側(cè)電壓相比較，確定通過斬波晶體管中的峰值電流IL。晶體管中

圖7數(shù)字PFC預(yù)調(diào)節(jié)器相關(guān)波形