利用单片机实现有源功率因数校正

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利用单片机实现有源功率因数校正

随着现代家用电器开始采用变速感应电机、无刷直流电机和开关磁阻电机，有源功率因素校正（APFC）电路变得非常重要。这些电机工作时需要使用大容量直流电源供电的多相逆变器。尽管利用简单的二极管整流桥和电容就可以产生小型电机所需要的直流电压，但这种方法用于较大的电机时会在电源线上产生大电流谐波。多数新电器都需要利用APFC电路来满足IEC 61000-3-2对电流谐波的要求。此类APFC电路还使得功率因数可接近于1，从而大大降低从交流电源线上吸取的电流有效值（RMS）。
利用单片机作为APFC控制器使设计人员可获得出色的功率因数性能与较低的电流谐波失真。此外，单片机还提供了生产的可行性和设计的灵活性，同时还使产品具有高级智能特性。
单片机方法的优点
采用单片机实现APFC电路要比采用独立的专用芯片解决方案复杂一些。设计人员必须编写单片机程序来初始化单片机外设并实现控制算法。最明显的影响就是开发时间变长，因此也意味着开发成本更高。然而，基于单片机的解决方案确实具有一些突出的优点。
制造灵活性
第一个显著的优点是制造灵活性。单片机允许一个设计用于多种产品。在生产线的最后环节，产品硬件组装完成后，可将各产品的软件代码烧入到单片机中。
监控复杂情况
单片机还能够监控复杂情况，并实现高级安全功能，而这在纯模拟解决方案中是很难实现的。例如，如果设计中有温度传感器，那么就可以通过温度函数实现可编程电流或功率限制。
数字通信
尽管目前的大多数电器并不需要通讯能力，但未来的电器可能需要APFC电路具备与其它系统通讯的能力。使用单片机可方便地提供这一功能。
APFC电路
APFC电路在输出端有一组电容器。这组电容器作为电量存储器提供负载所需要的瞬时电流。此电路的电源来自交流电源线，从而保证存储电容器以恒定的平均电压充电。APFC控制器对从交流电源线输入的电流进行整形，从而保持功率因数最大，并使谐波成分尽可能小。对于设计正确的电路，APFC电路对于交流电源来说就像一个理想电阻。
图1  APFC电路的简化框图。
图1中升压转换器电路可产生直流输出电压VOUT，VOUT通常在360至400 VDC。在该应用中，升压转换器的输入是交流电压经过二极管整流桥BR1整流后的输出。通常采用的通用单相APFC电路可接受88至230 VAC的输入电压范围。
在二极管整流桥BR1和升压转换器电路之间由一个电流传感器相连。传感器的输出电压VIL与升压转换器线圈中的电流成正比。
一个脉宽调制器（PWM）发生器发送脉冲到升压变换器，后者生成与PWM脉冲同步的锯齿波形。这一波形再送到PWM比较器的反向输入端。比较器的非反向输入端连接误差放大器的输出。误差放大器通常包括环路补偿功能。当斜坡上升的锯齿波信号超过误差放大器的输出电压时，中止PWM脉冲。这样，PWM的占空比将根据误差放大器的电压而变化。
通过测量电流传感器输出和来自数模转换器（DAC）的目标电压间的差别，误差放大器控制着电流环。如果输出电流太低，将使误差信号变大，引起PWM占空比增加。因此，线圈电流增加，从而使电流传感器输出接近目标电压。相反，如果输出电流太高，误差信号和PWM占空比将减小，从而使输出电流下降。这一过程使得误差放大器、PWM比较器、PWM发生器和升压变压器对于二极管整流桥BR1就像一个电压可编程的电流源。由于误差放大器控制着线圈平均电流，从而也控制着升压转换器输入电流，因此这种控制环在电源行业通常被称为平均电流控制。
DAC作为可编程分压计将输入到其参考电压输入端的整流交流波形按比例缩小。DAC的输出电压是整流后交流波形和输入到DAC的数字码的乘积。当数字码增加时，DAC的比例系数也增加。DAC的这一乘法效应对于APFC电路非常关键，因为升压转换器电流就是利用它来调整的。
由于DAC输出用做驱动PWM比较器的目标电压，因此升压转换器电流将与整流AC电压波形一样。理论上，在二极管整流桥BR1的输入端，电流和电压波形是完全一样的，两者完全同相，从而使功率因数等于1。然而，在实际电路中，由于各元器件的非线性，电流波形可能在接近过零点的地方有些失真并存在一些谐波失真。在低负载时，这些失真更为突出。当负载增加时，波形的失真与电流幅值相比通常很小，因此对于总体的功率因数数值没有明显的影响。
为控制APFC输出电压，本例中的单片机利用模数转换器（ADC）读取APFC输出电压VOUT，计算误差并执行比例积分微分（PID）算法。然后，PID计算的结果被写入DAC。例如，如果输出电压与预期相比太低，那么PID计算结果将变大，从而使DAC比例因数也变大。这一效应将导致升压转换器输出电流增加。因此，输出电压VOUT也将增加，从而使电压误差变小。
单片机选择
本例中选用的PIC16C782 8位单片机是第一个提供了合适的混合信号外设的单片机产品之一，从而可在硬件中实现PWM闭环控制。不久将推出的PICmicro(r) 单片机还将提供增强型捕捉/比较/PWM（ECCP）外设，可以与模拟比较器配合实现实时硬件闭环控制。
测试数据
在实验室中，对APFC原型电路在420W和130W两种负载条件下进行了测试，测量得到的功率因数分别为0.996和0.963。
两种负载条件下的电压和电流波形图见图2和图3。在电流波形中，显示出少量噪声，但不影响APFC工作。通过一些额外的设计考虑可以消除这一噪声。
图2  420W负载时的电压和电流波形(PF=0.996)
图3  130W负载时的电压和电流波形(PF=0.963)
图4和图5分别给出了420W负载情况下有APFC电路和没有APFC电路时的电流波形的谐波情况。因为许多电机驱动的电器都属于IEC 61000-3-2规定中的A类设备，因此在图中以同样的比例给出了A类设备的电流谐波限制，以便于比较。请注意，没有采用APFC电路的情况下，电流谐波已经超出了IEC 61000-3-2标准的要求。
图4  420W负载时的电流谐波(有APFC电路)
图5  420W时的电流谐波(无APFC电路)