分析PFC并用于對電機控制解決

當IEC31000-3-2在2001年變成強制標準時，很多公司開始在設計中考慮采用功率因數(shù)校正（PFC），這些產(chǎn)品包括照明設備、便攜式工具、所有的電子設備、消費產(chǎn)品、家用電器和工業(yè)設備等。該標準克服了注入公用主供電系統(tǒng)的諧波電流限制，適用于每相位擁有高達16A的輸入電流的電氣及電子設備，其目的是連接公用低壓配電系統(tǒng)。

如果不采用PFC，那么典型開關模式電源的功率因數(shù)約為0.6，因而會有相當大的奇次諧波失真（第三諧波有時和基本諧波一樣大）。令功率因數(shù)小于1以及來自峰值負載的諧波減少了運行設備可用的實際功率。為運行這些低效率設備，電力公司必須提供額外的功率來彌補損耗。功率的增加將導致電力公司使用負載更重的供電線路或遭受中性導線燒壞的威脅。PFC的使用每年都在增加，特別是在很多公司共享市場的激烈競爭環(huán)境中。

PFC主要分為兩大類：有源和無源。無源PFC較便宜，但很難針對可變輸入電壓和可變負荷進行設計。無源PFC電路較簡單，比有源PFC的組件更少，適合低于200W、僅有一個輸入電壓的低功率應用，因為這些應用的感應器和電容器很小且便宜。

對于功率較高的應用，它們的感應器和電容器更大、更昂貴，因此，有源PFC就成為一種更經(jīng)濟高效的方法。無源PFC適合低功率、固定電壓、固定負荷的應用。有源PFC則適用于中高功率需求的應用，例如PC電源、UPS、電信設備和等離子顯示屏，在這些應用中，無源PFC無法滿足系統(tǒng)要求（SMPS、HF鎮(zhèn)流器、轉換器、電池充電器等）。

另外兩種方案是模擬和數(shù)字PFC。傳統(tǒng)的模擬PFC控制器可提供多種控制算法，所需的額外組件較少。數(shù)字PFC可提供可比性結果，但更動態(tài)的PFC能夠提供更優(yōu)的性能且更易于修改。

本文描述了飛思卡爾MC56F8013數(shù)字信號控制器（DSC）上面向PFC的平均電流模式控制。除了節(jié)省功率和滿足電流標準外，采用PFC還有其它各種原因。PFC可以減少諧波失真，諧波失真可能導致發(fā)電設備中的工作溫度升高，而較高的溫度又可能縮短旋轉機器、電纜、變壓器、電容器、保險絲、開關觸點和電涌抑制器等設備的使用壽命。諧波還會造成電容器和電纜上額外電介質應力，使得機械繞組和變壓器的電流以及眾多產(chǎn)品的噪音排放提高。這些問題還可能引發(fā)集膚效應，帶來電纜、變壓器和旋轉機器中的問題。所有這些因素都會影響電氣設備的可靠性、性能和老化速度。

盡管本文中描述的應用是面向MC56F8013 DSC的，但根據(jù)應用要求，也可以采用MC56F80xx系列的其它成員。本文中介紹的實現(xiàn)方案是一種全數(shù)字解決方案。快速電流和低壓回路采用DSC進行數(shù)字實現(xiàn)，PFC電源開關直接由DSC PWM輸出控制，因此，該方案被稱為直接PFC。直接PFC算法在平均電流控制持續(xù)傳導模式（CCM）下工作。

采用直接控制方法比間接解決方案需要更多的DSC資源，其中，PWM由外部硬件電路生成。另一方面，采用直接控制可以生成來自線路的純電流正弦波，并在輸入處獲得理想的電阻負荷值。直接PFC的另外一個優(yōu)勢是具有恒定晶體管交換頻率，從而可以減少噪音。

采用直接PFC可以實現(xiàn)更好的系統(tǒng)動力學，因為這種控制算法簡單、快速。此外，不需要來自線路電壓的同步信號，比間接PFC需要的無源組件更少。該方案非常經(jīng)濟高效，適合于中（200~600W）、高功率（600W以上）應用。DSC的高性能使得PFC和電機控制應用可以并行運作。本文描述了采用單旁路電流傳感的三相交流感應矢量控制驅動的PFC方案。

升壓轉換器作為主動功率因數(shù)校正前置調節(jié)器被廣泛采用?？刂平Y構分為兩條回路：內部電流控制回路和外部電壓控制回路（如圖所示）。外部電壓控制回路通過DSC中的軟件實現(xiàn)，在DC總線上保持恒定電壓。電壓控制回路采用比例-積分（PI）控制器，輸出定義PFC電流所需的幅度。PFC控制算法提供正弦曲線輸入電流，不需要通過DSC控制的專用PFC硬件，向相位轉移到輸入電壓。硬件集成了輸入整流橋DB、PFC電感L、PFC二極管D和PFC開關Q。這些模擬數(shù)值就是經(jīng)傳感整流的（sensed-rectified）輸入電壓、輸入電流DC總線電壓。輸入電流用PFC開關進行控制，以達到理想輸入電流和理想DC總線電壓水平（UREQ）。

內部電流回路和外部回路一樣，也通過軟件實現(xiàn)，它采用PI控制器通過直接控制PFC晶體管來保持正弦曲線輸入電流。PI控制器的輸入是基準電流、IREQ和實際電流、IL之間的差值。IREQ的正弦曲線波形源自輸入電壓UDC RECT的波形（如圖所示）。將經(jīng)整流的輸入電壓波形與電壓控制器的輸出相乘，獲得最終基準電流IREQ。電流PI控制器的輸出生成信號D，與開放回路中升壓轉換器的占空比相對應。電流PI控制器的帶寬必須設置在8KHz以上，才能獲得足夠的響應。因此，電流PI控制器算法必須至少每60μs執(zhí)行一次，這對DSC的性能提出了較低限制要求。電壓控制回路的DSC性能要求很低，這是因為電壓控制回路的帶寬被設置在20Hz以下。因此，這部分PFC算法對DSC性能沒有太高的要求限制。

專用PFC硬件被設計為整個系統(tǒng)的一部分。PFC主板連同功率級和控制器主板構成了一個緊湊的系統(tǒng)來驅動三相AC/BLDC電機（包括PFC控制）。

該應用符合以下性能規(guī)范：

硬件：MC56F8013/23控制器主板，PFC主板，三相AC/BLDC高壓功率級主板。

控制方法：內部電流回路，外部電壓回路，基準電流生成，RMS輸入電壓計算。

FreeMASTER軟件監(jiān)視器。

出錯保護：DC總線過壓及電壓，過流保護，輸入電壓過壓及欠壓。

功率因數(shù)校正應用通過控制PFC開關提供正弦曲線輸入電流。在控制回路中，將實際的DC總線電壓與期望電壓值進行比較?？刂普`差由PI控制器處理，后者生成基準電流的振幅。輸入整流電壓乘以輸入整流RMS電壓和電壓控制器的輸出。相乘后得到的值是基準電流，與分流電阻器上感應到的實際電流進行比較得到它們之間的差值，然后在PI電流控制器中進行處理。該控制器的輸出是QuadTimer1的PWM信號，該信號直接開關PFC晶體管。

整個應用由MC56F8013 DSC控制。這種低成本數(shù)字信號控制器為這類應用提供了很多重要功能和外設。QuadTimer和模數(shù)轉換器（ADC）是這一應用中最重要的外設。ADC被用于傳感模擬數(shù)值，QuadTimer被用于對控制算法定時、ADC取樣同步和控制信號生成。

整個PFC算法采用由QuadTimer1（QT1）生成的一種中斷程序來實現(xiàn)，該程序每31.25μs調用一次，對應的頻率為32KHz。這一頻率足以生成正確的電流波形，但不會給DSC內核加載超過必要部分的電流。電流回路在每次中斷時執(zhí)行，電流控制器采用遞歸算法以便快速實現(xiàn)。QuadTimer2（QT2）被用作A/D轉換器B和QT1生成的PWM信號之間的同步信號。A/D轉換器B同步信號（掃描開始）在on-time PWM信號的中點執(zhí)行，以測量平均感應電流。ADC利用A/D轉換器B按照某種順序讀取輸入電路和輸入電壓，并使用A/D轉換器A按照另一種順序轉換輸出電壓。輸入電流每個QT1中斷（即31.25μs）傳感一次，輸入電壓和輸出電壓則每四個QT1中斷（即125μs）傳感一次。

所有數(shù)值在占空周期的中點進行傳感。采用10Hz低通濾波器過濾輸入電壓，可以獲得RMS輸入電壓。PFC晶體管的交換頻率設置為32KHz，這種恒定的開關頻率簡化了輸入濾波器的設計。電流控制器的結果定義PFC晶體管的占空比。

PFC可以作為以AC電源為電源的各個系統(tǒng)的一部分。電機控制應用采用交流電感應電機和測速發(fā)電機。如果希望使用帶編碼器傳感器的電機，那么MC56F8013設備沒有足夠的定時器信道支持編碼器處理。用戶可能需要使用帶更多定時器的器件，例如MC56F8037 DSC。從MC56F8013到MC56F8037的軟件移植非常容易。

系統(tǒng)由三個主板組成：功率因數(shù)校正主板、三相AC/BLDC高壓功率器件主板和MC56F8013/23控制器主板。硬件和軟件實現(xiàn)如下所述：實施ACIM控制不需要任何其他硬件。配置和獨立PFC目的的配置相同，必須連接適當電機。

應用軟件是實時運行的中斷驅動型軟件。有三種周期性中斷服務程序執(zhí)行主要的電機控制和PFC任務：定時器3中斷服務程序執(zhí)行快速電流控制回路和PFC任務，在讀取第三個DC總線電流樣本時（125μs間隔）執(zhí)行；PWM重載中斷服務程序執(zhí)行快速電流控制回路和PFC任務，在每次PWM半重載時（31.25μs間隔）執(zhí)行；ADC信道A終止掃描中斷服務程序讀取DC總線電流樣本，當一個PWM循環(huán)中出現(xiàn)三個連續(xù)樣本讀數(shù)時執(zhí)行。

此外，還有非周期性中斷服務程序。PWM故障中斷服務程序在過流事件發(fā)生時執(zhí)行，以管理過流故障情況。只有在出現(xiàn)故障情況時才執(zhí)行該程序。

后臺回路在應用電源線上執(zhí)行。它管理非關鍵性的時間任務，如應用狀態(tài)機和FreeMASTER通信輪詢。

PWM模塊被配置為以中央對齊（center-aligned）模式運行。PWM_half_reload_sync信號在每個PWM半循環(huán)（31.25μs間隔）時生成。PWM_half_reload_sync被連接到定時器模塊。定時器信道3的輸出用于觸發(fā)ADC信道A。PWM模塊、TMR模塊和ADC模塊間的連接鏈路能夠定義ADC取樣的多個確定的時間瞬間，這與生成的PWM信號同步。

ADC信道A在31.25μs后第三次啟動，第三個DC總線電流樣本被讀取。同時，定時器3中斷執(zhí)行。在已經(jīng)讀取了第三個電流樣本后，定時器3 ISR被中斷，ADC信道A終止掃描ISR執(zhí)行。當該ISR完成后，定時器3 ISR繼續(xù)進行處理。

快速電流控制回路在PWM重載ISR中執(zhí)行，后者與PWM_half_reload_sync信號同步。在PWM重載ISR被執(zhí)行之前，提取DC總線電流的三個ADC樣本，并由ADC信道A終止掃描ISR進行處理。

在滿載時要測量獨立PFC是否符合國際標準IEC61000-3-2的要求?？傊C波失真（THD）為4.5%，功率因數(shù)（PF）為0.99。

PFC組件的額定功率與功率器件主板額定功率（750W）相同。PFC還要作為一種負載與AC感應電機一起測試。雖然滿足電流限制，但THD的值較大，而PF的值較小。這是因為PFC是針對750W設計的。要獲得更好的結果，應根據(jù)所選電機的額定功率重新設計組件。

在這種特殊的實現(xiàn)中（帶有單旁路電流傳感的三相AC感應矢量控制驅動），采用了一個用于速度傳感的測速發(fā)電機。利用MC56F8037 DSC進行設計將不需要測速發(fā)電機，這要歸功于定時器數(shù)量的增加。在某些情況下，可能要求使用編碼器進行速度傳感。