帶非正弦波電流的新穎數(shù)字式功率因數(shù)校正技術(shù)

的PWM電流通過來自微控制器的時鐘被同步，圖7示出了相關(guān)電壓和電流波形。 在時鐘脈沖上升沿，觸發(fā)器置位，功率晶體管導(dǎo)通，電感器L中電流增加。當(dāng)電流達(dá)到由Vref給出的限制IL時，觸發(fā)器復(fù)位，功率晶體管截止。UC3843內(nèi)含一個比較器、一個觸發(fā)器和一個15V的緩沖器，能直接驅(qū)動PFC開關(guān)（MOSFET）。

32整形AC輸入電流波形及電壓調(diào)節(jié)原理

為了得到圖2所示的電流波形，必須計算IL值。電流波形在AC線路電壓過零時同步，利用微控制器A/D轉(zhuǎn)換器的一個通道來執(zhí)行過零檢測。在檢測之后新產(chǎn)生的占空因數(shù)隨AC線路電壓過零被應(yīng)用。0％、50％和100％三個系數(shù)自動地應(yīng)用于每個（半）周期特定時刻（1、2、8和9ms）的PWM值上。 為研究電壓調(diào)整原理，可借助于圖8所示的簡化圖。選取Cout=220μF，AC輸入線路電壓Vline=220V，Vout=400V，輸出功率從0到400W變化。在負(fù)載變化時，電壓調(diào)整環(huán)路保持輸出電壓（Vout）恒定。通過開環(huán)中測量，得到的占空因數(shù)變化量Δδ與輸出電流變化量ΔIout之間的關(guān)系為

Δδ(％)=50×ΔIout(A)(1)

微控制器借助于A/D轉(zhuǎn)換器，在每一個正弦周期之內(nèi)取樣一次輸出電壓值，通過計算測量與存儲在存儲器中的輸出電壓目標(biāo)值（Vtgt）之間的差異，根據(jù)先前PWM占空因數(shù)的變更（±Δδ）對檢測的誤差（ε）進(jìn)行補(bǔ)償。于是，新形成的占空因數(shù)為

δ％=δn－1(％)＋Δδ(2)

為實現(xiàn)靜態(tài)和動態(tài)輸出電壓的調(diào)整，微控制器利用兩個相鄰的輸出電壓采樣，去計算靜態(tài)誤差ε和它的變化速率dε/dt，如圖9所示。

33靜態(tài)和動態(tài)誤差補(bǔ)償

331靜態(tài)誤差補(bǔ)償

微控制器對于輸出電壓的每一個采樣值，計算出其與存入存儲器中的目標(biāo)電壓Vtgt之間的誤差εn

εn=Vout－Vtgt@tn(3)

為了補(bǔ)償該誤差，微控制器需要計算電流變化量（ΔIout），以在固定時間（Δt）期間，完成對電容器的充電。該時間值的選擇，給出電壓補(bǔ)償?shù)捻憫?yīng)時間。ΔIout可用式（4）表示

ΔIout=－C（4）

根據(jù)式（1）和式（4），可以得到為補(bǔ)償電壓誤差需要的占空因數(shù)的變化

Δδ(％)=－50C=S·εn(5)

式（5）中，S為靜態(tài)補(bǔ)償參數(shù)，它取決于輸出電容器的電容值和所確定的響應(yīng)時間（Δt）。

若選擇C=220μF，Δt=50ms（比采樣周期時間多于5倍），可以得到：Δδ(％)=－50··εn=－0.22εn(6)

例如，若檢測10V的欠電壓，占空因數(shù)將增加22％，50ms后面的電壓變化將完全被抵消。

3.3.2動態(tài)補(bǔ)償

在兩個相鄰的輸出電壓取樣中，涉及先前的測量，微控制器計算誤差變化率dε/dt=（7）

輸出電壓變化率來自輸出電容器輸入電流和輸出電流之差ΔI，它可表示為ΔI=C（8）

圖8數(shù)字PFC預(yù)調(diào)節(jié)器電壓調(diào)整原理簡圖

圖9輸出電壓靜態(tài)誤差ε及其變化速率dε/dt取樣示意圖

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帶非正弦波電流的新穎數(shù)字式功率因數(shù)校正技術(shù)

根據(jù)式（1）和式（8）可得到δ的變化量δ(％)=－50ΔI=－50C=D·dε(V)（9）

動態(tài)補(bǔ)償參數(shù)D取決于輸出電容（C）和兩個相鄰測量之間的時間間隔（dt），該參數(shù)與靜態(tài)參數(shù)S一樣，必須適應(yīng)專門的應(yīng)用，并存入微控制器存儲器中。由于選取C=220μF，并選取dt=10ms，根據(jù)式（9）可得

Δδ(％)=－1.1·dε(10)

例如，若在兩個相鄰測量之間檢測電壓是50V，占空比必須增加55％，并立即停止該電壓變化速率。

根據(jù)式（5）和式（9）可得，在每一次電壓測量之后，占空因數(shù)總的變動可表示為

Δδ(％)=S·εn＋D·dε(V)（11）

在式（11）中，S=－50C/Δt，D=－50C/dt。在選擇C=220μF、Δt=50ms和dt=10ms情況下，式（11）變?yōu)?p>δ(％)=－0.22εn－1.1dε(V)（12）

34電壓測量和過零檢測程序

為了獲得良好的抗噪擾性能，避免錯誤的電壓測量，采用帶軟件的數(shù)字濾波器可以履行這一功能。濾波器使三次輸出電壓測量進(jìn)行平均，每次測量間隔100μs。

為使電流波形與AC輸入電壓同步，通過軟件進(jìn)行過零檢測。每1ms上的AC電壓被感測，在周期結(jié)束之前，A/D轉(zhuǎn)換器變化到連續(xù)變換模式。當(dāng)輸出電壓通過50V時，一個跨零信號經(jīng)過0.5ms延遲之后產(chǎn)生。在沒有跨零檢測時，利用電流時基定時器保持同步。

35安全功能

通過微控制器A/D轉(zhuǎn)換器每μs對輸出電壓進(jìn)行自動測量一次，軟件安全有可靠保證。當(dāng)輸出電壓達(dá)到450V時，輸出過電壓檢測將停止PFC。當(dāng)輸出電壓降至420V以下時，系統(tǒng)再次啟動。借助于其它A/D轉(zhuǎn)換器信道，依靠軟件支持，其它的安全功能有以下幾個方面：

1）功率MOSFET柵極電壓監(jiān)視當(dāng)柵極電壓低于13V時，系統(tǒng)停止運(yùn)行；

2）DC輸出電壓監(jiān)視在接通時如果輸出電壓高于預(yù)確定值，僅PFC功能啟動；

3）AC輸入電壓監(jiān)視如果AC輸入電壓太低，系統(tǒng)則停止操作；

4）短路檢測與保護(hù)。

4實際應(yīng)用與效果

一個實際的數(shù)字PFC升壓預(yù)調(diào)節(jié)器電路如圖10所示。在圖10中，TDA8139的15V和5V輸出，為UC3843和ST90E30提供工作電壓。PFC升壓變換器DC輸出電壓是400V，加載一個400W的電阻性負(fù)載。PFC借助于ST9微控制器的一個多功能定時器（用于PWM產(chǎn)生）和A/D轉(zhuǎn)換器的三個信道（用于電壓監(jiān)視）去控制。微控制器的大多數(shù)特征和CPU占用時間空閑，因而它同時可以控制一個被結(jié)合的復(fù)雜應(yīng)用。微控制器包含的主要閑置功能包括一個多功能定時器、4個A/D轉(zhuǎn)換器通道、一個串行通信接口（SC1）、一個串行外部接口（SP1）、一個看門狗定時器和存儲器存取控制器。ST9微控制器能管理和控制PFC預(yù)調(diào)整器和三相感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動變換器，同時還結(jié)合總線（BUS）管理。