帶非正弦波電流的新穎數字式功率因數校正技術(shù)

的PWM電流通過(guò)來(lái)自微控制器的時(shí)鐘被同步，圖7示出了相關(guān)電壓和電流波形。 在時(shí)鐘脈沖上升沿，觸發(fā)器置位，功率晶體管導通，電感器L中電流增加。當電流達到由Vref給出的限制IL時(shí)，觸發(fā)器復位，功率晶體管截止。UC3843內含一個(gè)比較器、一個(gè)觸發(fā)器和一個(gè)15V的緩沖器，能直接驅動(dòng)PFC開(kāi)關(guān)（MOSFET）。

32整形AC輸入電流波形及電壓調節原理

為了得到圖2所示的電流波形，必須計算IL值。電流波形在A(yíng)C線(xiàn)路電壓過(guò)零時(shí)同步，利用微控制器A/D轉換器的一個(gè)通道來(lái)執行過(guò)零檢測。在檢測之后新產(chǎn)生的占空因數隨AC線(xiàn)路電壓過(guò)零被應用。0％、50％和100％三個(gè)系數自動(dòng)地應用于每個(gè)（半）周期特定時(shí)刻（1、2、8和9ms）的PWM值上。 為研究電壓調整原理，可借助于圖8所示的簡(jiǎn)化圖。選取Cout=220μF，AC輸入線(xiàn)路電壓Vline=220V，Vout=400V，輸出功率從0到400W變化。在負載變化時(shí)，電壓調整環(huán)路保持輸出電壓（Vout）恒定。通過(guò)開(kāi)環(huán)中測量，得到的占空因數變化量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(yíng)/D轉換器，在每一個(gè)正弦周期之內取樣一次輸出電壓值，通過(guò)計算測量與存儲在存儲器中的輸出電壓目標值（Vtgt）之間的差異，根據先前PWM占空因數的變更（±Δδ）對檢測的誤差（ε）進(jìn)行補償。于是，新形成的占空因數為

δ％=δn－1(％)＋Δδ(2)

為實(shí)現靜態(tài)和動(dòng)態(tài)輸出電壓的調整，微控制器利用兩個(gè)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(dòng)態(tài)誤差補償

331靜態(tài)誤差補償

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

εn=Vout－Vtgt@tn(3)

為了補償該誤差，微控制器需要計算電流變化量（ΔIout），以在固定時(shí)間（Δt）期間，完成對電容器的充電。該時(shí)間值的選擇，給出電壓補償的響應時(shí)間。ΔIout可用式（4）表示

ΔIout=－C（4）

根據式（1）和式（4），可以得到為補償電壓誤差需要的占空因數的變化

Δδ(％)=－50C=S·εn(5)

式（5）中，S為靜態(tài)補償參數，它取決于輸出電容器的電容值和所確定的響應時(shí)間（Δt）。

若選擇C=220μF，Δt=50ms（比采樣周期時(shí)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，占空因數將增加22％，50ms后面的電壓變化將完全被抵消。

3.3.2動(dòng)態(tài)補償

在兩個(gè)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(lái)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數字PFC預調節器電壓調整原理簡(jiǎn)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

()

帶非正弦波電流的新穎數字式功率因數校正技術(shù)

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

動(dòng)態(tài)補償參數D取決于輸出電容（C）和兩個(gè)相鄰測量之間的時(shí)間間隔（dt），該參數與靜態(tài)參數S一樣，必須適應專(zhuān)門(mén)的應用，并存入微控制器存儲器中。由于選取C=220μF，并選取dt=10ms，根據式（9）可得

Δδ(％)=－1.1·dε(10)

例如，若在兩個(gè)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。

根據式（5）和式（9）可得，在每一次電壓測量之后，占空因數總的變動(dòng)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(guò)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(guò)軟件進(jìn)行過(guò)零檢測。每1ms上的AC電壓被感測，在周期結束之前，A/D轉換器變化到連續變換模式。當輸出電壓通過(guò)50V時(shí)，一個(gè)跨零信號經(jīng)過(guò)0.5ms延遲之后產(chǎn)生。在沒(méi)有跨零檢測時(shí)，利用電流時(shí)基定時(shí)器保持同步。

35安全功能

通過(guò)微控制器A/D轉換器每μs對輸出電壓進(jìn)行自動(dòng)測量一次，軟件安全有可靠保證。當輸出電壓達到450V時(shí)，輸出過(guò)電壓檢測將停止PFC。當輸出電壓降至420V以下時(shí)，系統再次啟動(dòng)。借助于其它A/D轉換器信道，依靠軟件支持，其它的安全功能有以下幾個(gè)方面：

1）功率MOSFET柵極電壓監視當柵極電壓低于13V時(shí)，系統停止運行；

2）DC輸出電壓監視在接通時(shí)如果輸出電壓高于預確定值，僅PFC功能啟動(dòng)；

3）AC輸入電壓監視如果AC輸入電壓太低，系統則停止操作；

4）短路檢測與保護。

4實(shí)際應用與效果

一個(gè)實(shí)際的數字PFC升壓預調節器電路如圖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(gè)400W的電阻性負載。PFC借助于ST9微控制器的一個(gè)多功能定時(shí)器（用于PWM產(chǎn)生）和A/D轉換器的三個(gè)信道（用于電壓監視）去控制。微控制器的大多數特征和CPU占用時(shí)間空閑，因而它同時(shí)可以控制一個(gè)被結合的復雜應用。微控制器包含的主要閑置功能包括一個(gè)多功能定時(shí)器、4個(gè)A/D轉換器通道、一個(gè)串行通信接口（SC1）、一個(gè)串行外部接口（SP1）、一個(gè)看門(mén)狗定時(shí)器和存儲器存取控制器。ST9微控制器能管理和控制PFC預調整器和三相感應電機驅動(dòng)變換器，同時(shí)還結合總線(xiàn)（BUS）管理。