带非正弦波电流的新颖数字式功率因数校正技术

摘要：数字式功率因数校正（PFC）技术利用标准的微控制器履行PFC控制和调节，允许从电网产生的非正弦电流波形合成，使其幅值适应特定的需要，电流谐波含量在标准确定的限制之内，总体功率因数非常接近于1。像快速电流环路、电压调整、安全功能这样的其它特征也可以被履行。关键词：非正弦波电流；数字式功率因数校正；微控制器

1引言

迄今为止，基于功率因数校正（PFC）控制器IC的有源PFC（升压）预调节器，不论是工作于不连续导电模式（DCM），还是工作于连续导电模式（CCM），其控制和调节的结果，都是在系统AC电压输入端产生与AC输入电压同相位的正弦波电流，使线路功率因数（PF）趋于1。

一种基于标准微控制器（如ST9）和UC3843电流型PWM控制器的PFC升压式预调节器，利用新颖的数字PFC技术，在系统AC电压输入端产生非正弦波电流，同样能使其电流谐波含量满足IEC100032等标准的限制要求，系统功率因数接近于1。该数字PFC的静态和动态响应，对于许多应用尤其是工业中电机驱动和家电领域中的应用，都可以满足其性能要求和安全要求。

2基本方案与设计思路

与在桥式整流器输入端产生正弦波电流的有源PFC预调节器一样，采用升压式拓扑结构，在AC线路输入端产生一个非正弦波电流，顶部比较平坦且宽度较大，如图1所示。这种简单的解决方案将电流谐波电平置于标准限值之下。

在图1所示的AC输入电源电流（Imains）波形中，设平顶限制电流值为IL，在AC输入电压的每个半周期的开始与结束时刻附近，即AC输入电压为0或比

图1PFC预调节器在AC电压输入端产生非正弦波电流

带非正弦波电流的新颖数字式功率因数校正技术

图2相应于输入功率500W的PFC预调整器AC输入电流波形

图4稍微改变上升沿和下降沿时刻，产生5A的

AC输入电流，相应输入功率为1000W

图5图4所示的电流波形奇次谐波测试值与标准限制值比较

图3图2所示的电流波形奇次谐波与标准限制比较

图6基于ST9和UC3843的数字PFC

升压预调节器组成简化图

较低时，AC输入电流为0或取05IL。这种电流波形包含谐波分量，但每一个高次谐波分量必须保持在标准规定的限制之内。利用付立叶变换可以计算出保持谐波在允许值的IL的最大值。一个输入功率为500W的PFC预调节器的AC输入电流如图2所示。由图2可知，在2～8ms之间，IL=2.8A，50Hz的基波电流是2.18Arms。

图3示出了图2所示的电流波形的奇次谐波实测值与标准（如IEC555、IEC100032和EN6055）规定的限制值之比较。其中，19次和21次谐波主要限制AC输入电流IL最大许可值达到28A，限制可利用的功率达到500W。

理想的电流波形允许有效的输入功率增加。通过稍微改变电流上升沿和下降沿的时间，在AC输入端可以产生5A的线路电流，基波电流为43Arms，有效的输入功率达1000W。这种AC输入电流波形如图4所示。图5为其奇次电流谐波测试值与标准限制之对比。从图5可以发现，电流谐波发生了变化，19次和21次谐波幅值减小，而3次和5次谐波值却增加，但并不超过标准规定限值。

3基本拓扑结构与工作原理

31数字PFC预调节器基本拓扑结构及调节环路

基于ST9微控制器和UC3843电流型PWM控制IC的数字PFC升压式预调节器组成简图如图6所示。该拓扑结构通过负载传递所需要的功率，并在AC电压输入端产生非正弦波电流。AC输入电流的控制和所需要的DC输出电压调节，是通过两个闭环实现的。

311DC输出电压调整环路

当负载变化时，为保持PFC预调节器DC输出电压不变，利用电阻分压器对输出电压进行检测（取样），同时还利用了ST9微控制器的一个信道监测输出电压。电流调节环路的设定值利用输出DC电压的变动来计算，并由PWM型微控制器内的一个定时器提供。在经过滤波之后，得到一个参考电压Vref。

3.1.2电流调节环路

电流调节环路以比较器、触发器和功率开关晶体管为基础，来控制电流波形。输出电压调节环路给出的滤波后的PWM参考电压Vref，与电感侧电压相比较，确定通过斩波晶体管中的峰值电流IL。晶体管中

图7数字PFC预调节器相关波形

的PWM电流通过来自微控制器的时钟被同步，图7示出了相关电压和电流波形。 在时钟脉冲上升沿，触发器置位，功率晶体管导通，电感器L中电流增加。当电流达到由Vref给出的限制IL时，触发器复位，功率晶体管截止。UC3843内含一个比较器、一个触发器和一个15V的缓冲器，能直接驱动PFC开关（MOSFET）。

32整形AC输入电流波形及电压调节原理

为了得到图2所示的电流波形，必须计算IL值。电流波形在AC线路电压过零时同步，利用微控制器A/D转换器的一个通道来执行过零检测。在检测之后新产生的占空因数随AC线路电压过零被