帶非正弦波電流的新穎數(shù)字式功率因數(shù)校正技術

摘要：數(shù)字式功率因數(shù)校正（PFC）技術利用標準的微控制器履行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，使其幅值適應特定的需要，電流諧波含量在標準確定的限制之內(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）預調(diào)節(jié)器，不論是工作于不連續(xù)導電模式（DCM），還是工作于連續(xù)導電模式（CCM），其控制和調(diào)節(jié)的結果，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。

一種基于標準微控制器（如ST9）和UC3843電流型PWM控制器的PFC升壓式預調(diào)節(jié)器，利用新穎的數(shù)字PFC技術，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等標準的限制要求，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，對于許多應用尤其是工業(yè)中電機驅(qū)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(chǎn)生正弦波電流的有源PFC預調(diào)節(jié)器一樣，采用升壓式拓撲結構，在AC線路輸入端產(chǎn)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

圖1PFC預調(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

圖2相應于輸入功率500W的PFC預調(diào)整器AC輸入電流波形

圖4稍微改變上升沿和下降沿時刻，產(chǎn)生5A的

AC輸入電流，相應輸入功率為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

圖6基于ST9和UC3843的數(shù)字PFC

升壓預調(diào)節(jié)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(guī)定的限制之內(nèi)。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(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測值與標準（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(chǎn)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(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，但并不超過標準規(guī)定限值。

3基本拓撲結構與工作原理

31數(shù)字PFC預調(diào)節(jié)器基本拓撲結構及調(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升壓式預調(diào)節(jié)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(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)，是通過兩個閉環(huán)實現(xiàn)的。

311DC輸出電壓調(diào)整環(huán)路

當負載變化時，為保持PFC預調(diào)節(jié)器DC輸出電壓不變，利用電阻分壓器對輸出電壓進行檢測（取樣），同時還利用了ST9微控制器的一個信道監(jiān)測輸出電壓。電流調(diào)節(jié)環(huán)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(nèi)的一個定時器提供。在經(jīng)過濾波之后，得到一個參考電壓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)器和功率開關晶體管為基礎，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預調(diào)節(jié)器相關波形