如何降低 PFC 諧波和改善 THD 的諧波注入法

作者：Bosheng Sun

作為德州儀器 （TI） 高性能隔離式電源團(tuán)隊(duì)的一名工程師，我主要與通常需要高性能電源的服務(wù)器及電信公司合作。開發(fā)高端功率因數(shù)校正 （PFC） 設(shè)計(jì)，不僅需要在特定負(fù)載下使總諧波失真 （THD） 低于一定百分比，而且還需要每個(gè)諧波都不超過 IEC 61000-3-2 合規(guī)性標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的特定限值。在這篇共分兩部分的博客中，我將介紹用于降低 PFC 諧波和改善 THD 的諧波注入法。

表 1，IEC 61000-3-2 諧波限值

閉環(huán)調(diào)諧通常是一種降低諧波失真、改善 THD 的有效方法。不過，我看到過有 PFC 設(shè)計(jì)通過了 THD 測(cè)試，但無論工程師如何努力調(diào)諧控制環(huán)路，也無法通過單個(gè)諧波失真測(cè)試。傳統(tǒng)閉環(huán)調(diào)諧在這種情況下幫助不大。因此需要使用新的方法來應(yīng)對(duì)單個(gè)諧波。

我看到過工程師通過在單開關(guān)三相位整流器設(shè)計(jì)中注入三階電流信號(hào)來降低 THD。這使我想到了一種抑制（補(bǔ)償）高幅值諧波的類似方法。這種方法應(yīng)該很容易使用，不僅不涉及額外的硬件成本，而且還非常靈活，可抑制任何階數(shù)的諧波。

在 TI UCD3138 等數(shù)字電源控制器的幫助下，我開發(fā)出了一種簡(jiǎn)單的諧波注入法，其可有效抑制（補(bǔ)償）任意階數(shù)的諧波。因此，可降低特定階數(shù)的諧波幅值、改善 THD。

基本原理是生成一個(gè)特定階數(shù)的正弦信號(hào)，并將該信號(hào)注入 PFC 電流控制環(huán)路。正弦信號(hào)的幅值可根據(jù)負(fù)載和輸入電壓等工作條件進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，從而可最大限度地提高抑制效果。

更具體說，在數(shù)字控制 PFC 中，固件分為兩個(gè)主環(huán)路：針對(duì)低優(yōu)先級(jí)和低速任務(wù)（例如內(nèi)務(wù)操作）的后臺(tái)環(huán)路；以及針對(duì)高優(yōu)先級(jí)和時(shí)間緊迫型任務(wù)（例如 PFC 狀態(tài)機(jī)）的中斷環(huán)路。

按照以下步驟在后臺(tái)環(huán)路中實(shí)施該方法：

用模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC） 在固定速率下測(cè)量輸入電壓 （Vac）。通過檢查 ADC 測(cè)量值找到 Vac 零點(diǎn)交叉。算出兩個(gè)連續(xù)零點(diǎn)交叉過程中 ADC 樣片的數(shù)量，用以計(jì)算 Vac 頻率。該頻率是基本頻率。

在 UCD3138 的 ROM 中有一個(gè)正弦表。表中有 256 個(gè)條目對(duì)應(yīng)于正弦波的一個(gè)周期，每個(gè)條目都是整數(shù)。以不同的速度讀取該表，就可獲得不同的正弦信號(hào)頻率。正弦信號(hào)的幅值可能是表中條目乘以一個(gè)增益值。

以基本頻率為基礎(chǔ)，您將生成所需的高階正弦信號(hào)。例如，如果 PFC 的第三諧波過高，而我們希望將它降低，就可生成一個(gè)三階正弦信號(hào)。如果要抑制一個(gè)階數(shù)以上的諧波，就生成相同階數(shù)的正弦信號(hào)并將其組合在一起。這些正弦信號(hào)將作為用于注入的諧波信號(hào)。

每個(gè)正弦信號(hào)的幅值都可進(jìn)行良好調(diào)諧。另外，也可根據(jù)工作條件（例如負(fù)載和輸入電壓）對(duì)該幅值進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，以便最大限度提高補(bǔ)償效果。

重復(fù)上面第一個(gè)步驟。即使 AC 頻率改變了，基本頻率也會(huì)自動(dòng)更新，而且可生成基于該最新基本頻率的最新正弦信號(hào)。

該過程演示如下：

圖 1：后臺(tái)環(huán)路中的諧波注入流程圖