利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)有源功率因數(shù)校正

1、利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)有源功率因數(shù)校正kingmacth 發(fā)表于 單片機(jī) 分類，標(biāo)簽: 單片機(jī) APFC 29 三月 2008 0 隨著現(xiàn)代家用電器開始采用變速感應(yīng)電機(jī)、無刷直流電機(jī)和開關(guān)磁阻電機(jī)，有源功率因素校正(APFC電路變得非常重要。這些電機(jī)工作時需要使用大容量直流電源供電的多相逆變器。盡管利用簡單的二極管整流橋和電容就可以產(chǎn)生小型電機(jī)所需要的直流電壓，但這種方法用于較大的電機(jī)時會在電源線上產(chǎn)生大電流諧波。多數(shù)新電器都需要利用APFC電路來滿足IEC 61000-3-2對電流諧波的要求。此類APFC電路還使得功率因數(shù)可接近于1，從而大大降低從交流電源線上吸取的電流有效值(RMS。利用單片機(jī)作為

2、APFC控制器使設(shè)計人員可獲得出色的功率因數(shù)性能與較低的電流諧波失真。此外，單片機(jī)還提供了生產(chǎn)的可行性和設(shè)計的靈活性，同時還使產(chǎn)品具有高級智能特性。單片機(jī)方法的優(yōu)點(diǎn)采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)APFC電路要比采用獨(dú)立的專用芯片解決方案復(fù)雜一些。設(shè)計人員必須編寫單片機(jī)程序來初始化單片機(jī)外設(shè)并實(shí)現(xiàn)控制算法。最明顯的影響就是開發(fā)時間變長，因此也意味著開發(fā)成本更高。然而，基于單片機(jī)的解決方案確實(shí)具有一些突出的優(yōu)點(diǎn)。制造靈活性第一個顯著的優(yōu)點(diǎn)是制造靈活性。單片機(jī)允許一個設(shè)計用于多種產(chǎn)品。在生產(chǎn)線的最后環(huán)節(jié)，產(chǎn)品硬件組裝完成后，可將各產(chǎn)品的軟件代碼燒入到單片機(jī)中。監(jiān)控復(fù)雜情況單片機(jī)還能夠監(jiān)控復(fù)雜情況，并實(shí)現(xiàn)高級安全功能

3、，而這在純模擬解決方案中是很難實(shí)現(xiàn)的。例如，如果設(shè)計中有溫度傳感器，那么就可以通過溫度函數(shù)實(shí)現(xiàn)可編程電流或功率限制。數(shù)字通信盡管目前的大多數(shù)電器并不需要通訊能力，但未來的電器可能需要APFC電路具備與其它系統(tǒng)通訊的能力。使用單片機(jī)可方便地提供這一功能。APFC電路APFC電路在輸出端有一組電容器。這組電容器作為電量存儲器提供負(fù)載所需要的瞬時電流。此電路的電源來自交流電源線，從而保證存儲電容器以恒定的平均電壓充電。APFC控制器對從交流電源線輸入的電流進(jìn)行整形，從而保持功率因數(shù)最大，并使諧波成分盡可能小。對于設(shè)計正確的電路，APFC電路對于交流電源來說就像一個理想電阻。圖1中升壓轉(zhuǎn)換器電路可產(chǎn)生

4、直流輸出電壓VOUT，VOUT通常在360至400 VDC。在該應(yīng)用中，升壓轉(zhuǎn)換器的輸入是交流電壓經(jīng)過二極管整流橋BR1整流后的輸出。通常采用的通用單相APFC電路可接受88至230 VAC的輸入電壓范圍。在二極管整流橋BR1和升壓轉(zhuǎn)換器電路之間由一個電流傳感器相連。傳感器的輸出電壓VIL與升壓轉(zhuǎn)換器線圈中的電流成正比。一個脈寬調(diào)制器(PWM發(fā)生器發(fā)送脈沖到升壓變換器，后者生成與PWM脈沖同步的鋸齒波形。這一波形再送到PWM比較器的反向輸入端。比較器的非反向輸入端連接誤差放大器的輸出。誤差放大器通常包括環(huán)路補(bǔ)償功能。當(dāng)斜坡上升的鋸齒波信號超過誤差放大器的輸出電壓時，中止PWM脈沖。這樣，PWM

5、的占空比將根據(jù)誤差放大器的電壓而變化。通過測量電流傳感器輸出和來自數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC的目標(biāo)電壓間的差別，誤差放大器控制著電流環(huán)。如果輸出電流太低，將使誤差信號變大，引起PWM占空比增加。因此，線圈電流增加，從而使電流傳感器輸出接近目標(biāo)電壓。相反，如果輸出電流太高，誤差信號和PWM占空比將減小，從而使輸出電流下降。這一過程使得誤差放大器、PWM比較器、PWM發(fā)生器和升壓變壓器對于二極管整流橋BR1就像一個電壓可編程的電流源。由于誤差放大器控制著線圈平均電流，從而也控制著升壓轉(zhuǎn)換器輸入電流，因此這種控制環(huán)在電源行業(yè)通常被稱為平均電流控制。DAC作為可編程分壓計將輸入到其參考電壓輸入端的整流交流波形

6、按比例縮小。DAC的輸出電壓是整流后交流波形和輸入到DAC的數(shù)字碼的乘積。當(dāng)數(shù)字碼增加時，DAC的比例系數(shù)也增加。DAC的這一乘法效應(yīng)對于APFC電路非常關(guān)鍵，因?yàn)樯龎恨D(zhuǎn)換器電流就是利用它來調(diào)整的。由于DAC輸出用做驅(qū)動PWM比較器的目標(biāo)電壓，因此升壓轉(zhuǎn)換器電流將與整流AC電壓波形一樣。理論上，在二極管整流橋BR1的輸入端，電流和電壓波形是完全一樣的，兩者完全同相，從而使功率因數(shù)等于1。然而，在實(shí)際電路中，由于各元器件的非線性，電流波形可能在接近過零點(diǎn)的地方有些失真并存在一些諧波失真。在低負(fù)載時，這些失真更為突出。當(dāng)負(fù)載增加時，波形的失真與電流幅值相比通常很小，因此對于總體的功率因數(shù)數(shù)值沒有明

7、顯的影響。為控制APFC輸出電壓，本例中的單片機(jī)利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC讀取APFC輸出電壓VOUT，計算誤差并執(zhí)行比例積分微分(PID算法。然后，PID計算的結(jié)果被寫入DAC。例如，如果輸出電壓與預(yù)期相比太低，那么PID計算結(jié)果將變大，從而使DAC比例因數(shù)也變大。這一效應(yīng)將導(dǎo)致升壓轉(zhuǎn)換器輸出電流增加。因此，輸出電壓VOUT也將增加，從而使電壓誤差變小。單片機(jī)選擇本例中選用的PIC16C782 8位單片機(jī)是第一個提供了合適的混合信號外設(shè)的單片機(jī)產(chǎn)品之一，從而可在硬件中實(shí)現(xiàn)PWM閉環(huán)控制。不久將推出的PICmicro單片機(jī)還將提供增強(qiáng)型捕捉/比較/PWM(ECCP外設(shè)，可以與模擬比較器配合實(shí)現(xiàn)實(shí)時硬件閉環(huán)控制。測試數(shù)據(jù)圖4和圖5分別給出了420W負(fù)載情況下有APFC電路和沒有APFC電路時的電流波形的諧波情況。因?yàn)?/p>