带非正弦波电流的新颖数字式功率因数校正技术

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线路电压过零被应用。0％、50％和100％三个系数自动地应用于每个（半）周期特定时刻（1、2、8和9ms）的PWM值上。 为研究电压调整原理，可借助于图8所示的简化图。选取Cout=220μF，AC输入线路电压Vline=220V，Vout=400V，输出功率从0到400W变化。在负载变化时，电压调整环路保持输出电压（Vout）恒定。通过开环中测量，得到的占空因数变化量Δδ与输出电流变化量ΔIout之间的关系为

Δδ(％)=50×ΔIout(A)(1)

微控制器借助于A/D转换器，在每一个正弦周期之内取样一次输出电压值，通过计算测量与存储在存储器中的输出电压目标值（Vtgt）之间的差异，根据先前PWM占空因数的变更（±Δδ）对检测的误差（ε）进行补偿。于是，新形成的占空因数为

δ％=δn－1(％)＋Δδ(2)

为实现静态和动态输出电压的调整，微控制器利用两个相邻的输出电压采样，去计算静态误差ε和它的变化速率dε/dt，如图9所示。

33静态和动态误差补偿

331静态误差补偿

微控制器对于输出电压的每一个采样值，计算出其与存入存储器中的目标电压Vtgt之间的误差εn

εn=Vout－Vtgt@tn(3)

为了补偿该误差，微控制器需要计算电流变化量（ΔIout），以在固定时间（Δt）期间，完成对电容器的充电。该时间值的选择，给出电压补偿的响应时间。ΔIout可用式（4）表示

ΔIout=－C（4）

根据式（1）和式（4），可以得到为补偿电压误差需要的占空因数的变化

Δδ(％)=－50C=S·εn(5)

式（5）中，S为静态补偿参数，它取决于输出电容器的电容值和所确定的响应时间（Δt）。

若选择C=220μF，Δt=50ms（比采样周期时间多于5倍），可以得到：Δδ(％)=－50··εn=－0.22εn(6)

例如，若检测10V的欠电压，占空因数将增加22％，50ms后面的电压变化将完全被抵消。

3.3.2动态补偿

在两个相邻的输出电压取样中，涉及先前的测量，微控制器计算误差变化率dε/dt=（7）

输出电压变化率来自输出电容器输入电流和输出电流之差ΔI，它可表示为ΔI=C（8）

图8数字PFC预调节器电压调整原理简图

图9输出电压静态误差ε及其变化速率dε/dt取样示意图

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带非正弦波电流的新颖数字式功率因数校正技术

根据式（1）和式（8）可得到δ的变化量δ(％)=－50ΔI=－50C=D·dε(V)（9）

动态补偿参数D取决于输出电容（C）和两个相邻测量之间的时间间隔（dt），该参数与静态参数S一样，必须适应专门的应用，并存入微控制器存储器中。由于选取C=220μF，并选取dt=10ms，根据式（9）可得

Δδ(％)=－1.1·dε(10)

例如，若在两个相邻测量之间检测电压是50V，占空比必须增加55％，并立即停止该电压变化速率。

根据式（5）和式（9）可得，在每一次电压测量之后，占空因数总的变动可表示为

Δδ(％)=S·εn＋D·dε(V)（11）

在式（11）中，S=－50C/Δt，D=－50C/dt。在选择C=220μF、Δt=50ms和dt=10ms情况下，式（11）变为

δ(％)=－0.22εn－1.1dε(V)（12）

34电压测量和过零检测程序

为了获得良好的抗噪扰性能，避免错误的电压测量，采用带软件的数字滤波器可以履行这一功能。滤波器使三次输出电压测量进行平均，每次测量间隔100μs。

为使电流波形与AC输入电压同步，通过软件进行过零检测。每1ms上的AC电压被感测，在周期结束之前，A/D转换器变化到连续变换模式。当输出电压通过50V时，一个跨零信号经过0.5ms延迟之后产生。在没有跨零检测时，利用电流时基定时器保持同步。

35安全功能

通过微控制器A/D转换器每μs对输出电压进行自动测量一次，软件安全有可靠保证。当输出电压达到450V时，输出过电压检测将停止PFC。当输出电压降至420V以下时，系统再次启动。借助于其它A/D转换器信道，依靠软件支持，其它的安全功能有以下几个方面：

1）功率MOSFET栅极电压监视当栅极电压低于13V时，系统停止运行；

2）DC输出电压监视在接通时如果输出电压高于预确定值，仅PFC功能启动；

3）AC输入电压监视如果AC输入电压太低，系统则停止操作；

4）短路检测与保护。

4实际应用与效果

一个实际的数字PFC升压预调节器电路如图10所示。在图10中，TDA8139的15V和5V输出，为UC3843和ST90E30提供工作电压。PFC升压变换器DC输出电压是400V，加载一个400W的电阻性负载。PFC借助于ST9微控制器的一个多功能定时器（用于PWM产生）和A/D转换器的三个信道（用于电压监视）去控制。微控制器的大多数特征和CPU占用时间空闲，因而它同时可以控制一个被结合的复杂应用。微控制器包含的主要闲置功能包括一个多功能定时器、4个A/D转换器通道、一个串行通信接口（SC1）、一个串行外部接口（SP1）、一个看门狗定时器和存储器存取控制器。ST9微控制器能管理和控制PFC预调整器和三相感应电机驱动变换器，同时还结合总线（BUS）管理。