如何降低 PFC 的 THD ？滿足 M?CRPS 規(guī)范的方案分享

總計諧波失真 (THD) 是信號中存在的諧波失真，定義為一組較高諧波頻率的均方根 (RMS) 振幅與一次諧波或基頻的 RMS 振幅之比。公式 1 將 THD 表示為：

公式 1

其中 V_n 是 n 次諧波的 RMS 值，V₁ 是基波分量的 RMS 值。

在電力系統(tǒng)中，這些諧波會導(dǎo)致從電話傳輸干擾到導(dǎo)體性能下降等各種問題；因此，控制總 THD 非常重要。THD 越低，電機中的峰值電流越低、發(fā)熱越少、電磁輻射越低、磁芯損耗越小。

降低 THD 需要功率因數(shù)校正 (PFC)，這是輸入功率大于 75W 的交流/直流電源所必需的。PFC 會強制輸入電流跟隨輸入電壓，以便電子負(fù)載生成包含超小諧波的正弦電流波形。

THD 要求越來越嚴(yán)格，在服務(wù)器應(yīng)用中尤其如此。模塊化硬件系統(tǒng)通用冗余電源 (M-CRPS) 規(guī)范在整個負(fù)載范圍內(nèi)定義了非常嚴(yán)格的 THD 要求，如 表 1 中所示。這比之前的 CRPS THD 規(guī)范更為嚴(yán)格。

表 1 M-CRPS THD 規(guī)范

圖 1 該電路通常在隔離式電源中生成反饋信號。在傳統(tǒng)的環(huán)路調(diào)優(yōu)可能無法滿足要求的 PFC 設(shè)計中，滿足此類嚴(yán)格的 THD 規(guī)范是一項巨大的挑戰(zhàn)。本文將提供幾種額外的方法來幫助降低 THD。

PFC 控制器可檢測交流輸入電壓、電感器電流和 PFC 輸出電壓。這些檢測到的信號必須干凈，否則會影響 THD。例如，由于交流輸入電壓信號生成正弦電流基準(zhǔn)，因此檢測到的信號上的任何尖峰都會導(dǎo)致電流基準(zhǔn)失真并影響 THD。

盡管輸出電壓 (V_OUT) 信號不用于生成電流基準(zhǔn)，但它也可能會影響 THD，因為 V_OUT 上的尖峰會在電壓環(huán)路輸出上產(chǎn)生紋波，這會影響電流環(huán)路基準(zhǔn)并最終影響 THD。如果尖峰的幅度足夠大，則可能會觸發(fā)電壓環(huán)路非線性增益，從而顯著提高 THD。

不過，對于交流電壓檢測，不建議添加數(shù)字濾波器，因為它會導(dǎo)致電流基準(zhǔn)出現(xiàn)延遲。在這種情況下，您可以使用固件鎖相環(huán) (PLL) 來生成與交流電壓同相的內(nèi)部正弦波信號，然后使用生成的正弦波信號來調(diào)制電流基準(zhǔn)。由于 PLL 生成的正弦波是干凈的，即使檢測到的交流電壓上有一些噪聲，電流環(huán)路基準(zhǔn)也是干凈的。

交流過零點處的電流尖峰是圖騰柱無橋 PFC 的固有問題。這些尖峰可能會非常大，以至于無法符合 M-CRPS THD 規(guī)范要求。通過分析這些尖峰的根本原因，發(fā)現(xiàn)脈寬調(diào)制 (PWM) 軟啟動算法（如 圖 1 中所示）可有效地減少尖峰。

圖 1 交流過零點處的柵極信號時序

在此解決方案中，當(dāng) V_AC 在交流過零點后從負(fù)周期變?yōu)檎芷跁r，有源開關(guān) Q4 首先以非常小的脈沖寬度導(dǎo)通，然后逐漸增加到由控制環(huán)路生成的占空比 (D)。Q4 上的軟啟動會逐漸將開關(guān)節(jié)點漏源電壓 (V?_DS?) 放電至零。一旦 Q4 的軟啟動完成，同步晶體管 Q3 開始導(dǎo)通。它從很小的脈沖寬度開始，然后逐漸增加，直到脈沖寬度達(dá)到 1-D。當(dāng) Q4 的軟啟動完成且 Q3 的軟啟動開始時，低頻開關(guān) Q2 導(dǎo)通。

過零檢測可能會被噪聲錯誤地觸發(fā)。出于安全考慮，在半個交流周期結(jié)束時，關(guān)斷所有開關(guān)。這樣會形成一個較小的死區(qū)，從而防止輸入交流短路。從交流正周期到負(fù)周期的轉(zhuǎn)換是相同的。圖 2 展示了測試結(jié)果。

圖 2 不使用和使用 PWM 軟啟動功能時的電流波形：傳統(tǒng)控制方法 (a) 和 PWM 軟啟動 (b)

電壓環(huán)路輸出上的雙倍工頻紋波會影響電流基準(zhǔn)，從而影響 THD。為盡可能減少這種頻率紋波的影響，同時又不影響負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)，您可以在 V?_OUT? 檢測信號和電壓環(huán)路之間添加一個數(shù)字陷波（帶阻）濾波器。該陷波濾波器可以有效地衰減雙倍工頻紋波，同時仍能傳遞所有其他頻率信號，包括負(fù)載瞬態(tài)導(dǎo)致的 V_OUT 突變。負(fù)載瞬態(tài)不會受到影響。

另一種方法是在交流過零實例處檢測 V_OUT。由于交流過零實例 Vout_zc(t) 處的 V_OUT 的值等于其平均值，并且在穩(wěn)態(tài)下是一個“常量”，因此它是用于電壓環(huán)路控制的理想反饋信號。若要處理負(fù)載瞬態(tài)，請使用以下電壓環(huán)路控制律：

電壓環(huán)路控制律

如果瞬時 V_OUT 誤差很小，請使用交流過零實例 Vout_zc (t) 處的 V_OUT 值和小比例積分 (PI) 環(huán)路增益 Kp、Ki 計算電壓環(huán)路補償器 Gv。當(dāng)發(fā)生導(dǎo)致瞬時 V_OUT 誤差大于閾值的負(fù)載瞬態(tài)時，為 Gv 使用瞬時 Vout(t) 值和 PI 環(huán)路增益 Kp_nl、Ki_nl 可將 V_OUT 迅速恢復(fù)至其標(biāo)稱值。

PFC 電感器電流是在每個開關(guān)周期中具有直流偏移的鋸齒波；該電流隨后進(jìn)入運算放大器等信號調(diào)節(jié)電路，使信號適合 PFC 控制電路。不過，該信號調(diào)節(jié)電路無法充分衰減輸入電流紋波。電流紋波仍出現(xiàn)在放大器的輸出端。如果該信號在每個開關(guān)周期內(nèi)僅采樣一次，則不存在該信號始終代表平均電流的理想固定位置。因此，使用單個樣本時，很難實現(xiàn)良好的 THD。

為了獲得更準(zhǔn)確的反饋信號，建議使用過采樣機制。圖 3 展示了可在每個開關(guān)周期內(nèi)對電流反饋信號進(jìn)行八次平均采樣，對結(jié)果求平均值，然后將其發(fā)送至控制環(huán)路。過采樣有效地計算電流紋波平均值，以便測量的電流信號更接近平均電流值。此外，控制器對噪聲（包括信號噪聲和測量噪聲）的敏感度會降低。過采樣是減少電流波形失真的有效方法之一。

圖 3 在每個開關(guān)周期中進(jìn)行八次過采樣

占空比前饋控制的基本原理是預(yù)先計算占空比，然后將此占空比添加到反饋控制器中。對于在連續(xù)導(dǎo)通模式下運行的升壓拓?fù)洌?2 可用于計算占空比 (d_FF)：

公式 2

該占空比形式可在開關(guān)上有效地生成一個電壓，此電壓在一個開關(guān)周期內(nèi)的平均值等于整流輸入電壓。常規(guī)電流環(huán)路補償器會根據(jù)計算出的該占空比來更改占空比。

圖 4 展示了最終形成的控制方案。使用公式 2 計算 d_FF 后，將其與傳統(tǒng)的平均電流模式控制輸出 (d_I) 相加。然后，可以使用最終得到的占空比 (d) 生成 PWM 波形以控制 PFC。

圖 4 平均電流模式控制和 d?_FF?

鑒于占空比的大部分是由占空比前饋生成的，控制環(huán)路僅對計算出的占空比進(jìn)行略微調(diào)整。這項技術(shù)可以幫助改善控制器環(huán)路帶寬受限型應(yīng)用中的 THD。

通常，滿足輕負(fù)載 THD 要求比滿足重負(fù)載 THD 要求更困難；特別是在滿足 M-CRPS 規(guī)范中的 5% 負(fù)載 THD 要求時，尤其如此。如果 PFC 滿足除 5% 負(fù)載時以外的所有其他 THD 要求，那么即使您已嘗試到目前為止提到的所有方法，交流周期跳躍方法也會有所幫助。

將交流周期跳躍想象成一個特殊的突發(fā)模式：當(dāng)負(fù)載小于預(yù)定義閾值時，PFC 進(jìn)入此模式，并根據(jù)負(fù)載跳過一個或多個交流周期。換句話說，PFC 在一個或多個交流周期內(nèi)關(guān)斷，然后在下一個交流周期重新導(dǎo)通。導(dǎo)通和關(guān)斷發(fā)生在交流過零點處，以便跳過整個交流周期。由于 PFC 在電流為零時導(dǎo)通和關(guān)斷，因此應(yīng)力和電磁干擾較小。交流周期跳躍與傳統(tǒng)的 PWM 脈沖跳躍突發(fā)模式（隨機跳過 PWM 脈沖）不同。

要跳過的交流周期數(shù)與負(fù)載成反比；負(fù)載越小，跳過的交流周期就越多。圖 5 展示了跳過一個交流周期。通道 1 是交流電壓，通道 4 是交流電流。

圖 5 輕負(fù)載下的交流周期跳躍

當(dāng) PFC 由于電流為零而關(guān)斷時，THD 為零。由于 PFC 需要補償關(guān)斷周期，因此它在導(dǎo)通時會提供大于平均值的大功率。實際上，這會在中等負(fù)載下運行 PFC，或者完全關(guān)斷。鑒于中等負(fù)載時的 THD 遠(yuǎn)低于輕負(fù)載時的 THD，輕負(fù)載 THD 有所降低。

本文作者在通過德州儀器 (TI) C2000? 微控制器控制的 3kW 圖騰柱無橋 PFC 上實施了本文所述的方法。圖 6 展示了 240VAC 時的 THD 測試結(jié)果。

圖 6 THD 測試結(jié)果

THD 不僅符合最新的 M-CRPS THD 規(guī)范，而且還具有足夠的裕量，可確保 PFC 即使在具有硬件容差的情況下也能在大規(guī)模生產(chǎn)期間滿足規(guī)范要求。