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帶非正弦波電流的新穎數(shù)字式功率因數(shù)校正技術(shù)

作者: 時間:2011-03-16 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏


的PWM通過來自微控制器的時鐘被同步,圖7示出了相關(guān)電壓和波形。 在時鐘脈沖上升沿,觸發(fā)器置位,晶體管導(dǎo)通,電感器L中增加。當(dāng)電流達(dá)到由Vref給出的限制IL時,觸發(fā)器復(fù)位,晶體管截止。UC3843內(nèi)含一個比較器、一個觸發(fā)器和一個15V的緩沖器,能直接驅(qū)動PFC開關(guān)(MOSFET)。

32整形AC輸入電流波形及電壓調(diào)節(jié)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AC線路電壓過零時同步,利用微控制器A/D轉(zhuǎn)換器的一個通道來執(zhí)行過零檢測。在檢測之后新產(chǎn)生的占空隨AC線路電壓過零被應(yīng)用。0%、50%和100%三個系數(shù)自動地應(yīng)用于每個(半)周期特定時刻(1、2、8和9ms)的PWM值上。 為研究電壓調(diào)整原理,可借助于圖8所示的簡化圖。選取Cout=220μF,AC輸入線路電壓Vline=220V,Vout=400V,輸出從0到400W變化。在負(fù)載變化時,電壓調(diào)整環(huán)路保持輸出電壓(Vout)恒定。通過開環(huán)中測量,得到的占空變化量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/D轉(zhuǎn)換器,在每一個正弦周期之內(nèi)取樣一次輸出電壓值,通過計算測量與存儲在存儲器中的輸出電壓目標(biāo)值(Vtgt)之間的差異,根據(jù)先前PWM占空的變更(±Δδ)對檢測的誤差(ε)進(jìn)行補(bǔ)償。于是,新形成的占空因數(shù)為

δ%=δn-1(%)+Δδ(2)

為實現(xiàn)靜態(tài)和動態(tài)輸出電壓的調(diào)整,微控制器利用兩個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)和動態(tài)誤差補(bǔ)償

331靜態(tài)誤差補(bǔ)償

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

εn=Vout-Vtgt@tn(3)

為了補(bǔ)償該誤差,微控制器需要計算電流變化量(ΔIout),以在固定時間(Δt)期間,完成對電容器的充電。該時間值的選擇,給出電壓補(bǔ)償?shù)捻憫?yīng)時間。ΔIout可用式(4)表示

ΔIout=-C(4)

根據(jù)式(1)和式(4),可以得到為補(bǔ)償電壓誤差需要的占空因數(shù)的變化

Δδ(%)=-50C=S·εn(5)

式(5)中,S為靜態(tài)補(bǔ)償參數(shù),它取決于輸出電容器的電容值和所確定的響應(yīng)時間(Δt)。

若選擇C=220μF,Δt=50ms(比采樣周期時間多于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(shù)將增加22%,50ms后面的電壓變化將完全被抵消。

3.3.2動態(tài)補(bǔ)償

在兩個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(shù)字PFC預(yù)調(diào)節(jié)器電壓調(diào)整原理簡圖


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


()

帶非正弦波電流的功率因數(shù)


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

動態(tài)補(bǔ)償參數(shù)D取決于輸出電容(C)和兩個相鄰測量之間的時間間隔(dt),該參數(shù)與靜態(tài)參數(shù)S一樣,必須適應(yīng)專門的應(yīng)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(jù)式(9)可得

Δδ(%)=-1.1·dε(10)

例如,若在兩個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(jù)式(5)和式(9)可得,在每一次電壓測量之后,占空因數(shù)總的變動可表示為

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(shù)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,通過軟件進(jìn)行過零檢測。每1ms上的AC電壓被感測,在周期結(jié)束之前,A/D轉(zhuǎn)換器變化到連續(xù)變換模式。當(dāng)輸出電壓通過50V時,一個跨零信號經(jīng)過0.5ms延遲之后產(chǎn)生。在沒有跨零檢測時,利用電流時基定時器保持同步。

35安全功能

通過微控制器A/D轉(zhuǎn)換器每μs對輸出電壓進(jìn)行自動測量一次,軟件安全有可靠保證。當(dāng)輸出電壓達(dá)到450V時,輸出過電壓檢測將停止PFC。當(dāng)輸出電壓降至420V以下時,系統(tǒng)再次啟動。借助于其它A/D轉(zhuǎn)換器信道,依靠軟件支持,其它的安全功能有以下幾個方面:

1)功率MOSFET柵極電壓監(jiān)視當(dāng)柵極電壓低于13V時,系統(tǒng)停止運(yùn)行;

2)DC輸出電壓監(jiān)視在接通時如果輸出電壓高于預(yù)確定值,僅PFC功能啟動;

3)AC輸入電壓監(jiān)視如果AC輸入電壓太低,系統(tǒng)則停止操作;

4)短路檢測與保護(hù)。

4實際應(yīng)用與效果

一個實際的數(shù)字PFC升壓預(yù)調(diào)節(jié)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400W的電阻性負(fù)載。PFC借助于ST9微控制器的一個多功能定時器(用于PWM產(chǎn)生)和A/D轉(zhuǎn)換器的三個信道(用于電壓監(jiān)視)去控制。微控制器的大多數(shù)特征和CPU占用時間空閑,因而它同時可以控制一個被結(jié)合的復(fù)雜應(yīng)用。微控制器包含的主要閑置功能包括一個多功能定時器、4個A/D轉(zhuǎn)換器通道、一個串行通信接口(SC1)、一個串行外部接口(SP1)、一個看門狗定時器和存儲器存取控制器。ST9微控制器能管理和控制PFC預(yù)調(diào)整器和三相感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動變換器,同時還結(jié)合總線(BUS)管理。

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