易用的PFC助益电机控制应用

许多超过某一功耗水平的交流供电系统都需要进行功率因数校正(PFC)，这是电力公司或政府的要求。PFC位于系统输入端，在二极管桥式整流器后面，但在所有输入电容之前。PFC电路的作用是确保输入端的电压和电流彼此同相。换言之，PFC是输送至电路负载的平均功率与视在功率之比。

除了降低视在功率以外，PFC电路还有助于大幅降低输入线路上的失真。无PFC情况下，负载产生的THD(总谐波失真)会对由同一电网供电的其他电路造成不利影响。PFC电路会优化功率因数，同时降低THD。许多系统中，功率因数的重要性不及高THD带来的干扰。

本文介绍一种利用ADI公司带监控功能的ADP1047和ADP1048数字PFC控制器设计极其灵活且功能丰富的PFC电路的简单方法。设计工作利用直观的图形用户界面完成。另外还会结合电机驱动应用讨论这种方法的优势。

不同PFC电路

PFC电路通常采用升压型DC-DC转换器拓扑结构，并且位于交流整流器电桥正后方。这种拓扑结构迫使输入电流与输入电压同相。结果，负载在交流电源看来是一个纯无源负载电阻。对于较高的功率水平，可以使用交错式拓扑结构。最常见的是双通道交错操作，这与让两个升压转换器并联并分担负载并无不同。在PFC之外，类似方法称为“多相”。对于电流在不同的并联降压电路之间分配，并且输出合并在一起的情况，降压型调节器会使用术语“多相”。在PFC中，此功能不使用术语“相位”，原因是它会引起很多混淆。多相用于一个以上相位交流电源输入的PFC电路。因此，描述负载功率在多个并联升压拓扑结构之间分配时，术语“交错”更常用。

为了实现非常高的电源效率，也可以不使用电桥。这种情况下可以省去二极管桥式整流器。在有二极管桥式整流器的交错操作中，两个通道在每个开关周期之后交替工作。但是，在无电桥拓扑结构中，一个通道在交流输入电压的正半波周期中切换，另一个通道在负半波周期中切换。图1给出了这三个基本电路的原理图。最上方显示最简单的实现方案，中间显示交错概念，最下方显示无电桥配置。当然，还有很多其他电路方案都是可行的。例如，对于高功率和高效率操作，可以将交错式操作与无电桥配置结合起来。显然，这种设计需要许多元件，可能会变得相当复杂。ADP1047设计用于单通道PFC，ADP1048则提供交错式和无电桥操作能力。为此，它提供均流功能和两个不同的PWM输出信号。

图1. 不同PFC电路

使用数字PFC控制器的灵活性

多数PFC转换器是模拟型系统。然而，利用当今的数字式衍生产品，例如ADI公司的ADP1047和ADP1048，设计人员可以获得数字产品提供的极大灵活性。用可编程数字滤波器代替硬件元件，便可针对高速工作优化环路稳定性，使电路足够稳定。虽然这些器件采用均流模式控制环路，但实际上有多个不同的环路可以独立编程。其中存在低线和高线电流滤波器，以及快速电压补偿滤波器。

可以设置PFC的输出电压，使其根据负载电流而变化。这样可以提高整个系统的电源转换效率。此外，还可以非常细致地调整软启动特性。

监控系统输入端的电压和电流很有价值

除了数字控制环路以外，ADP1047和ADP1048还提供精确的电压和电流监控功能。它们能检测输入和输出电压，以及输入电流。检测到的模拟值通过模数转换器转换为数字值。电感电流(等于输入电流)既可利用电流检测电阻直接测量(精度最高)，也可利用两个电流互感器和功率开关/升压二极管串联间接测量。无论使用何种检测方法，都可以在系统中校准检测以提高测量精度。这种校准通常是与生产测试一起完成，校准值存储在ADP1047和ADP1048的EEPROM中。除电压和电流外，还可以校准外部温度传感器。

测得的电压和电流相关信息用于操作、控制和保护，但也可通过PMBus提供给系统中的其他电路用于监控。PFC的输入功率具有特别重要的意义，因为它能提供关于系统潜在故障的信息。为了帮助系统安全可靠地工作，可以设置不同的中断，如标志等。电压和电流信息以及寄存器设置可以通过集成的PMBus接口访问。