PFC可以使用有源電路拓撲來實現，比如單相[1]或三相升壓型整流器[2]
，或者通過無源方式實現；後者需正確使用低頻電感和電容，以便形成交流線路電流包絡。兩種形式的PFC均試圖重現正弦或近似正弦的線路電流，並與線路電壓同相，從而最大程度減少來自公用事業公司

、產生損耗的諧波電流和無功功率流。有源和無源PFC之間的權衡取舍與成本
、無源元件權重和數量，以及PFC相關損耗有關。

 

在單相電機驅動中，有源PFC使用廣泛。對於三相係統而言
，無源諧波校正使用更廣，且三相線路上通常含有50 Hz或60 Hz大電感，或者在整流器的直流側含有單個電感。然而，在較高功率下使用有源PFC能獲得某些優勢。有源PFC解決方案(直流或交流側)可提供最優電感尺寸、更低的功率損耗、重量和最佳功率因數。

 

在單相應用中(比如低功耗電機驅動)，默認使用如圖1所示的整流器輸入升壓轉換器。

 

圖1. 單相升壓PFC電路。

 

這些器件通常在50 kHz至100 kHzpinlvfanweineijinxingkaiguan
，yinerxiangbiwuyuanjiejuefanganxuyaoshiyongjiaoxiaodezhiliucediangan。duiyusanxiangxitongeryan，dankaiguantuopukeyibaohanjiaoliuhuozhiliucegaopindiangan。

 

實現PFC控製的一個障礙是使用PFC電路和PFC控製器導致成本上升。係統內處理器處於隔離柵安全超低電壓(SELV)側的情況尤為如此。這種情況下，從主電機控製處理器內部實現PFC控製會增加複雜程度與成本，因為需將交流側測量結果和控製信號與處理器I/O和ADC相隔離。此外，若要采用通常針對10 kHz至20 kHz PWM頻率的電機控製應用服務優化的處理器來實現50 kHz至100 kHz PWM控製就有點難度了。

 

這種情況下，一種選擇是使用一個廉價的模擬PFC控製器(比如UC3854[3])，並使其完全獨立於主係統控製器工作。但是，使用一個數字PFC控製器(比如ADP1047[4])並搭配電機控製處理器和數字隔離器，便可實現增值。然後

，處理器可將部分時序、監控和保護功能交由PFC控製器負責，增強整體係統功能，同時降低成本。這種配置的好處如下：

 

●   啟動和關斷時序

●   係統級狀態信息

●   用戶界麵顯示信息

●   異常條件監控

●   最大程度降低傳感器要求

●   備份測量/冗餘

●   用作整體係統故障保護的一部分

●   控製器優化(通過效率)

 

圖2顯示了典型數字PFC控製器的係統監控、保護和時序能力。將諸如ADP1047器件集成功能置於主處理器的控製與監控之下
，這樣做的優勢從係統設計角度而言是非常明顯的。可以降低總係統成本、複雜度並減少傳感器數量
，哪怕PFC控製器自身的成本可能要高於其模擬器件。

 

圖2. 電機控製係統中的數字PFC控製器功能範圍。

 

圖3. 通用交流輸入電機控製平台。

 

硬件平台

 

ADI提供實驗平台，用來在真實電機控製係統中驗證信號鏈元件和軟件工具。 該平台的電路架構如圖3所示，平台硬件如圖4所示。

 

 

圖4. 電機控製平台硬件。

 

該係統表示一個功能完整的PMSM市電輸入電機驅動，具有功率因數校正
、完全控製、通信信號隔離和光學編碼器反饋功能。該係統的核心是ARM®Cortex®-M4混合信號控製處理器
，即ADI的ADSP-CM408。由ADP1047來執行PFC前端控製，該器件集成精密輸入功率計量功能和浪湧電流控製。ADP1047設計用於單相PFC應用，ADP1048則特別針對交錯式和無電橋PFC應用而設計。數字PFC功能基於傳統的升壓PFC與輸出電壓反饋的乘法運算，並結合輸入電流和電壓來為AC/DC係統提供最佳的諧波校正和功率因數。所有信號都轉換到數字域以提供最大的靈活性，並且關鍵參數都可以通過PMBus接口提供報告和調整。ADP1047/ADP1048允許用戶優化係統性能，最大程度地提高負載範圍內的效率，並縮短設計上市時間。靈活的數控PFC引(yin)擎(qing)與(yu)精(jing)確(que)的(de)輸(shu)入(ru)功(gong)率(lv)計(ji)量(liang)功(gong)能(neng)的(de)完(wan)美(mei)結(jie)合(he)有(you)利(li)於(yu)智(zhi)能(neng)電(dian)源(yuan)管(guan)理(li)係(xi)統(tong)的(de)采(cai)用(yong)，從(cong)而(er)利(li)用(yong)其(qi)智(zhi)能(neng)決(jue)策(ce)能(neng)力(li)提(ti)高(gao)終(zhong)端(duan)用(yong)戶(hu)的(de)係(xi)統(tong)效(xiao)率(lv)。在(zai)輕(qing)負(fu)載(zai)時(shi)
，該(gai)器(qi)件(jian)支(zhi)持(chi)以(yi)編(bian)程(cheng)方(fang)式(shi)降(jiang)低(di)頻(pin)率(lv)

，並(bing)能(neng)降(jiang)低(di)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)，從(cong)而(er)進(jin)一(yi)步(bu)提(ti)高(gao)效(xiao)率(lv)。ADP1047/ADP1048提供增強的集成特性和功能
；浪湧電流和軟啟動控製功能的集成使元件數量顯著減少，並使優化設計更輕鬆。該器件針對高可靠性、冗餘電源應用而設計，具有廣泛、魯棒的保護電路。它們還具備獨立過壓保護(OVP)和過流保護(OCP)、接地連續性監控和交流檢測。同時提供內部過溫保護(OTP)，外部溫度則可以通過外部檢測器件記錄。

 

係統工作原理

 

通過I2C/PMBus接口實現處理器與PFC控製器的通信，I2C數字隔離器提供域之間的接口，如圖5所示。處理器位於SELV電氣域內
，PFC控製器參考高壓域內的直流總線通用電軌。三相逆變器的柵極驅動器開關信號通過雙通道隔離器，從處理器PWM模塊路由輸出。I2C接口的數據和時鍾信號以及通用數字信號同樣通過數字隔離器路由。

 

圖5. 數字信號隔離。

 

PFC控製器管理升壓PFC電路的控製和監控。這些任務從主電機控製軟件的流程中分流至低優先級的程序中，如圖6所示。PFC控製器參數在啟動期間配置。如果已有該功能，則通常可以通過將配置參數寫入控製器IC的EEPROM存儲器而跳過該步驟。如圖6所示，在典型電機控製係統中，速度和電流測量以及PWM控製器更新將作為高優先級中斷處理，而電流測量與PWM信號同步。可設置PFC控製器以便處理輸入側測量，比如輸入交流線路電壓和電流、直流總線電壓、輸入功率、PFC電(dian)路(lu)溫(wen)度(du)。這(zhe)些(xie)測(ce)量(liang)對(dui)於(yu)電(dian)機(ji)控(kong)製(zhi)算(suan)法(fa)而(er)言(yan)不(bu)算(suan)關(guan)鍵(jian)，不(bu)過(guo)直(zhi)流(liu)總(zong)線(xian)電(dian)壓(ya)測(ce)量(liang)對(dui)於(yu)無(wu)傳(chuan)感(gan)器(qi)算(suan)法(fa)可(ke)能(neng)比(bi)較(jiao)重(zhong)要(yao)。但(dan)這(zhe)些(xie)測(ce)量(liang)對(dui)於(yu)整(zheng)體(ti)係(xi)統(tong)級(ji)監(jian)控(kong)和(he)控(kong)製(zhi)器(qi)優(you)化(hua)而(er)言(yan)比(bi)較(jiao)重(zhong)要(yao)。它(ta)們(men)可(ke)以(yi)進(jin)而(er)由(you)低(di)優(you)先(xian)級(ji)I2C數據處理任務或中斷例程請求和處理，並且計劃速率匹配係統監控時間常數。

 

圖6. 主電機控製程序結構。

 

圖7所示為平台的Micrium Probe™用戶界麵，其中直流總線基準電壓設為250 V。可以清楚看到交流和直流側的監控變量以及電機控製。

 

圖7. 用戶界麵。

 

結論

 

由此節省的額外傳感器、數字I/O和he處chu理li器qi上shang的de模mo擬ni引yin腳jiao

，以yi及ji調tiao節jie和he解jie釋shi測ce量liang變bian量liang的de軟ruan件jian開kai銷xiao可ke能neng意yi味wei著zhe處chu理li器qi成cheng本ben的de下xia降jiang，隻zhi要yao選xuan擇ze性xing能neng較jiao低di的de變bian體ti，或huo者zhe釋shi放fang處chu理li器qi硬ying件jian和he軟ruan件jian空kong間jian供gong其qi他ta優you先xian級ji更geng高gao或huo係xi統tong增zeng強qiang型xing功gong能neng使shi用yong就jiu可ke以yi實shi現xian。

 

本例中，相對於交流線路電壓的係統啟動序列
，直流總線欠壓、過壓和交流側過流保護均通過PFC控製器實現。然而，必須謹慎地進行整體係統設計，因為主控製處理器應始終由PFC控製器負責控製或保護，以便在受到副邊影響時不會獨立執行操作。這種情況的一個例子便是PFC控製器由於直流總線瞬變過壓(比如因為電機製動事件)而經曆了一次全局PWM信號禁用。如果控製器未能檢測到該事件，則它將試圖調節PWM輸出(不會成功)以保持工作點。如果PFC控製器在過壓瞬變消失後重新使能PWM，則係統可能會由於PWM占空比的突然大幅增加而出現副邊故障。因此，管理PFC控製器與電機控製處理器之間的保護通信和時序時必須非常仔細。

 

總之，若在較低成本的模擬PFC控製器與更為昂貴的數字控製器之間選擇
，那麼潛在的權衡取舍就應當不僅根據PFC電路自身進行評估，還應考慮數字控製器更強大的功能所帶來的潛在係統級功能、增強性和成本的下降。本文旨在強調部分關鍵係統級增強特性
，使用ADP1047以及單相電機驅動係統作為示例。

 

參考文獻

 

[1] L. Rossetto, G. Spiazzi, 和 P. Tenti.“Control Techniques for Power Factor Correction Converters (功率因數校正轉換器的控製技術)”。Proc. Int. Conf. Power Electron. Motion Control. Warsaw, Poland, 1994, pp.

[2] T. Friedli 和 J.W. Kolar.“The Essence of Three-Phase PFC Rectifier Systems (三相PFC整流器係統的本質)”。電信能源會議(INTELEC),2011 IEEE 33rd International, Vol., No., pp. 2011年10月。

[3] http://www.ti.com/product/uc3854

[4] http://www.analog.com/en/products/power-management/digital-powermanagement-ic/digital-pfc-controllers-power-metering/ADP1047.html

 

 

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