數字PFC控制器對電源起到怎樣的重要作用

2020-11-23 電子發燒友

數字PFC控制器對電源起到怎樣的重要作用

網際網路 發表於 2019-09-14 10:51:00

功率因數校正（PFC）是緩解電能質量問題的關鍵，因為更多的無功源將連接到電網中。本文介紹功率因數對電源效率的影響，在交流系統中，數字PFC控制器通過對電感器電流的檢測，如何以低損失來進行合適的功率因數改善。

低功率因數通常意味著較差的輸入電流質量和較低的效率，這會給供應商、消費者帶來成本負擔。在交流系統中，低功率因數通常來自輸入電流波形的失真，這就是為什麼一些國際電氣標準對電流中的諧波含量有嚴格的限制，以及為什麼在某些情況下，有源或無源功率因數校正幾乎是強制性的。

理想交流系統的功率因數

在正弦交流系統中，功率因數是有效功率與總耗電量（視在功率）之間的關係，也就是有效功率除以總耗電量（視在功率）的比值。其中包括由負載產生的電場和磁場產生的無功阻抗引起的有功功率和無功功率。無功阻抗使電流波形滯後電壓波形，稱為相移角，因此我們可以將功率因數表示為電壓波形與電流波形相移角的餘弦值，得出當電流波形與電壓波形相移角趨近於零時，功率因數接近1的最大值。

實際交流系統中的諧波失真

在實際交流電源中，輸入電流通常是一個包含多個諧波分量的複雜信號，當主諧波或基波［2］（與電路電壓同相）提供真實功率時，其他諧波則攜帶大量不可用的能量。

因此，在實際系統中，功率因數由畸變因數推導而來，畸變因數是基於基元上所有附加諧波之和，或總諧波畸變率 （THD）。因此，PFC變換器的作用是被動地調整或主動地重建輸入的交流波形，使其在相位和形狀上與電壓信號更緊密地對準，並且儘量避免不必要的諧波。

PFC轉換器在如今交流系統的作用

功率因數校正是基於開關器件（MOSFET、IGBTs等），通過快速切換PFC電感電流來形成輸入平均電流波形。PFC控制器通過比較電路反饋和參考信號來確定開關器件的開斷時間，從而對相應的PFC電感進行充放電。通過PFC電感器的瞬時電流的振蕩，在平均電感電流上產生較小的淨增減，PFC控制器控制這些電流，以產生所需的正弦波形。

交叉功率因數校正方案

在高功率應用中，將PFC級別劃分為兩個或多級並行PFC電路通常是最好的，這個過程稱為交錯。雖然交錯增加了電路組件的數量，但每個通道中較低的電流和開關頻率可以更好地進行總功率和熱量管理，提高了效率，而且由於所需的電感器要小得多，實際上可以降低成本。

由於PFC控制器能夠產生單獨的PWM輸出，從而驅動各個相位通道，因此可以進行重構。這些控制器上的固件將始終包括切相邏輯，以限制在電源需求相對較低時使用的通道數量。

先進的數字PFC控制器在交流系統的應用

隨著現代轉換器的數字PFC控制器不斷發展，嵌入式功能不斷增加，取代了複雜的模擬電路，從而具有了更大的靈活性和工作範圍。另一個關鍵的優點在於駐留在這些控制器上的可編程和可配置的固件，這為解決方案設計人員提供了實現他們自己的邏輯算法，並設置特定於應用程式的參數從而使轉換器與特定的設計需求保持一致。

STNRGPF01和STNRGPF12 3通道和2通道交錯式CCM PFC數字控制器

新型STNRGPF01能夠從任何標準的國際輸入電源電壓管理高達3千瓦的負載。該控制器實現了全面供電和負載監控，高響應性能和安全管理，並實現了3通道交叉，顯著提高了變換器的整體效率，降低了主電感的成本和尺寸，而在大功率應用中，主電感的成本和尺寸可能相當昂貴。另一個產品系—STNRGPF12可以通過雙通道交叉管理高達2千瓦的負載，並具有數字衝擊電流控制，在電流尖峰可能損壞電路元件時，可以更好地管理啟動階段。

STMicroelectronics STEVAL-IPFC01V1 PFC套件基於STNRGPF01數字控制器，包含單獨的電源板、控制板和適配器板。STNRGPF01是一款數字可配置的ASIC，在交錯PFC中最多驅動三個通道，適合用於工業應用。STNRGPF01設計滿足IEC 61000-3-2電氣設備標準。

事實上，STEVAL-IPFC01V1和最新的STEVAL-IPFC12V1都採用了模擬傳感元件和比較器，這些元件可以將瞬時波形信息直接反饋到STNRG數字控制器中，從而實現逐周期的電流調節，即使在開關電路的極高頻率下也能做到。

最後，ST還提供了一個名為eDesignSuite的優秀設計工具，其中包括一個針對PFC轉換器的部分，可以真正幫助工程師在設計階段提高工作效率。該軟體不僅能夠開發一個完整的解決方案，根據您的設計參數與材料清單和示意圖，也可以生成定製固件，並上傳到你的STNRG數字PFC控制器，以滿足特定應用程式的要求。

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