如何降低 PFC 諧波和改善 THD 的諧波注入法

作者：Bosheng Sun

作為德州儀器 （TI） 高性能隔離式電源團隊的一名工程師，我主要與通常需要高性能電源的服務(wù)器及電信公司合作。開發(fā)高端功率因數(shù)校正 （PFC） 設(shè)計，不僅需要在特定負載下使總諧波失真 （THD） 低于一定百分比，而且還需要每個諧波都不超過 IEC 61000-3-2 合規(guī)性標準中規(guī)定的特定限值。在這篇共分兩部分的博客中，我將介紹用于降低 PFC 諧波和改善 THD 的諧波注入法。

表 1，IEC 61000-3-2 諧波限值

閉環(huán)調(diào)諧通常是一種降低諧波失真、改善 THD 的有效方法。不過，我看到過有 PFC 設(shè)計通過了 THD 測試，但無論工程師如何努力調(diào)諧控制環(huán)路，也無法通過單個諧波失真測試。傳統(tǒng)閉環(huán)調(diào)諧在這種情況下幫助不大。因此需要使用新的方法來應(yīng)對單個諧波。

我看到過工程師通過在單開關(guān)三相位整流器設(shè)計中注入三階電流信號來降低 THD。這使我想到了一種抑制（補償）高幅值諧波的類似方法。這種方法應(yīng)該很容易使用，不僅不涉及額外的硬件成本，而且還非常靈活，可抑制任何階數(shù)的諧波。

在 TI UCD3138 等數(shù)字電源控制器的幫助下，我開發(fā)出了一種簡單的諧波注入法，其可有效抑制（補償）任意階數(shù)的諧波。因此，可降低特定階數(shù)的諧波幅值、改善 THD。

基本原理是生成一個特定階數(shù)的正弦信號，并將該信號注入 PFC 電流控制環(huán)路。正弦信號的幅值可根據(jù)負載和輸入電壓等工作條件進行動態(tài)調(diào)整，從而可最大限度地提高抑制效果。

更具體說，在數(shù)字控制 PFC 中，固件分為兩個主環(huán)路：針對低優(yōu)先級和低速任務(wù)（例如內(nèi)務(wù)操作）的后臺環(huán)路；以及針對高優(yōu)先級和時間緊迫型任務(wù)（例如 PFC 狀態(tài)機）的中斷環(huán)路。

按照以下步驟在后臺環(huán)路中實施該方法：

用模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC） 在固定速率下測量輸入電壓 （Vac）。通過檢查 ADC 測量值找到 Vac 零點交叉。算出兩個連續(xù)零點交叉過程中 ADC 樣片的數(shù)量，用以計算 Vac 頻率。該頻率是基本頻率。

在 UCD3138 的 ROM 中有一個正弦表。表中有 256 個條目對應(yīng)于正弦波的一個周期，每個條目都是整數(shù)。以不同的速度讀取該表，就可獲得不同的正弦信號頻率。正弦信號的幅值可能是表中條目乘以一個增益值。

以基本頻率為基礎(chǔ)，您將生成所需的高階正弦信號。例如，如果 PFC 的第三諧波過高，而我們希望將它降低，就可生成一個三階正弦信號。如果要抑制一個階數(shù)以上的諧波，就生成相同階數(shù)的正弦信號并將其組合在一起。這些正弦信號將作為用于注入的諧波信號。

每個正弦信號的幅值都可進行良好調(diào)諧。另外，也可根據(jù)工作條件（例如負載和輸入電壓）對該幅值進行動態(tài)調(diào)節(jié)，以便最大限度提高補償效果。

重復上面第一個步驟。即使 AC 頻率改變了，基本頻率也會自動更新，而且可生成基于該最新基本頻率的最新正弦信號。

該過程演示如下：

圖 1：后臺環(huán)路中的諧波注入流程圖