功率因数校正(PFC)功能的实现.pdf

1、 2009 Microchip Technology Incorporated. 版权所有。 C10L18 PFC 第 1 页 功率因数校正（PFC）功能的实 现 C10L18 PFC 2009 Microchip Technology Incorporated. 版权所有。 C10L18 PFC 第 2 页 课程目标 学习完本课程后，您将能够： 理解在电源变换中，dsPIC DSC 如 何实现不同的拓扑结构 学习如何设计及实现一个单阶的交错 式功率因数校正器-IPFC 知晓在升压式电源变换器中，如何利 用dsPIC DSC 来实现各种数字环 观摩Microchip 的交错式功率因数校正 器参

2、考设计的演示 2009 Microchip Technology Incorporated. 版权所有。 C10L18 PFC 第 3 页 课程安排 功率因数在电源变换系统中的意义 如何实现功率因数校正？ 单阶的交错式功率因数校正器的设计 基于dsPIC DSC的数字环的实现 调节器设计及负载均衡技术 演示 2009 Microchip Technology Incorporated. 版权所有。 C10L18 PFC 第 4 页 课程安排 功率因数在电源变换系统中的意 义 如何实现功率因数校正? 单阶的交错式功率因数校正器的 设计 基于dsPIC DSC的数字环的实现 调节器设计及负载均衡技

3、术 演示 2009 Microchip Technology Incorporated. 版权所有。 C10L18 PFC 第 5 页 伺服电源系统之 典型结构框图 AC I/P PFC 变换器 初 级 变换器 次 级 变换器 光电 耦合器 隔离层 整流后的 正弦电压 POL POL 高压（HV）隔离式DC2DC转换器 数 字 控制器 整流器 O/P 1 O/P 2 初级 次级 数 字 控制器 2009 Microchip Technology Incorporated. 版权所有。 C10L18 PFC 第 6 页 有用功率？ 施加的电压 视在电流 无用功率 施加的电压 视在电流 有用功率

4、2009 Microchip Technology Incorporated. 版权所有。 C10L18 PFC 第 7 页 情形1 情形2 情形3 有相移的正弦电流 无相移的非正弦电流 有相移的非正弦电流 施加的电压 施加的电压 施加的电压 产生的电流 产生的电流 产生的电流 低功率因数的几种原因 2009 Microchip Technology Incorporated. 版权所有。 C10L18 PFC 第 8 页 电流谐波 基波 二次谐波 三次谐波 实际电流消耗 2009 Microchip Technology Incorporated. 版权所有。 C10L18 PFC 第 9

5、页 功率因数PF 的完全定义 视在功率Ps (VA) 有功功率Pa (W) 无功功率Pr VAR 实际消耗电能 (KWH) 未作功电能 KVARH PF表示为有功功率Pa与视在功率Ps之比：PF = Pa / Ps PF = Pa / Ps = Pa / (Pr+ Pa) 2009 Microchip Technology Incorporated. 版权所有。 C10L18 PFC 第 10 页 功率因数PF 的完全定义 定义基波电流为I1，谐波电流 分别为I2 、I3 、 I4 PF可另表示为： THD：总谐波比 2 2 1 4 2 1 3 2 1 2 1 cos . 1 1 * cos

6、THD I I I I I I PF + = + + + + = 2009 Microchip Technology Incorporated. 版权所有。 C10L18 PFC 第 11 页 影响功率因数的环节 发电厂 传输 分配及使用 PRIME MOVER 2009 Microchip Technology Incorporated. 版权所有。 C10L18 PFC 第 12 页 提高功率因数的意义 谐波分量 标准及法规 能量损耗 成本 功率因数 2009 Microchip Technology Incorporated. 版权所有。 C10L18 PFC 第 13 页 谐波电流的危

7、害 谐波电流可能会 引发器件的误动作 干扰相邻的电子电气设备 导致变压器和电机等相关 设备出 现过热 现象 基波 二次谐波分量 三次谐波分量 输入电流 2009 Microchip Technology Incorporated. 版权所有。 C10L18 PFC 第 15 页 成本 电力公司只依据有功功率收费，但是 低功率因数往往会导致用户费用增大 发电厂、电力传输和电力 分配设 备的容 量 更大 电力传输，分配的损耗加 大 过热，谐波电流冲击导致 设备寿 命缩短 用户端的设备，器件容量 更大 2009 Microchip Technology Incorporated. 版权所有。 C10

8、L18 PFC 第 16 页 能量损耗 几乎所有元器件皆消耗能量 更大的等效电流与峰值电流 不做功器件也消耗能量 无功能量返送至电网 电力传输与电力分配 2009 Microchip Technology Incorporated. 版权所有。 C10L18 PFC 第 17 页 我 们 需 要改善功率因数 功率因数校正 2009 Microchip Technology Incorporated. 版权所有。 C10L18 PFC 第 18 页 功率因数校正的目标 合格的功率因数校正器具备以下特征： 能调节输入电流，并使相位和波 形与输 入 电压保持一致 减小电流各谐波分量，改善THD 减小

9、无功功率的往返 降低器件额定电流的标准 可调节输出电压 符合相关标准，法规 降低运行成本 系统损耗低 视在功率的利用率高 2009 Microchip Technology Incorporated. 版权所有。 C10L18 PFC 第 19 页 课程安排 功率因数在电源变换系统中的意 义 如何实现功率因数校正? 单阶的交错式功率因数校正器的 设计 基于dsPIC DSC的数字环的实现 调节器设计及负载均衡技术 演示 2009 Microchip Technology Incorporated. 版权所有。 C10L18 PFC 第 20 页 PF 的基本概念及PFC的实现 PFC的实现 无

10、源PFC 主要由无源元件组成 电感续流型 电容倍压型 有源PFC 模拟有源PFC 数字有源PFC 2009 Microchip Technology Incorporated. 版权所有。 C10L18 PFC 第 21 页 无源PFC 电感续流型 AC AC 电容倍压型 2009 Microchip Technology Incorporated. 版权所有。 C10L18 PFC 第 22 页 无源PFC 无源PFC的缺点 适用于功率应用 通用性不高 体积大，重量大 PF 改善性能有限 2009 Microchip Technology Incorporated. 版权所有。 C10L18

11、 PFC 第 23 页 有源PFC之功能框图 全桥整流 PFC控制器 负载 交流输入 Vac Iac Vdc PWM PFC 所用关键元件 拓扑结构选择 功率开关管 电感 电容 二极管 PF 调节方式 2009 Microchip Technology Incorporated. 版权所有。 C10L18 PFC 第 24 页 PFC的实现方式 降压型 升压型 组合型 V 1 S D L C - + + - i V 2 S D L C - + + - i V 1 V 2 S D L C - + - + i V 1 V 2 V 1 V 1 V 1 i i i V 2 V 1 V 2 V 1 0

12、0 0 - t t t t t t 2009 Microchip Technology Incorporated. 版权所有。 C10L18 PFC 第 25 页 选择合适的PFC电路 三种拓扑结构的比较： 电路类型 输出电压极性 交越失真 电感电流特性 降压型 正极性 有 不连续型 升压型 正极性 无 连续型* 混合型 负极性 无 不连续型 * 与负载特性及电感选择相关 2009 Microchip Technology Incorporated. 版权所有。 C10L18 PFC 第 26 页 电感电流模式 非连续模式 电感电流 电感电流 临界模式 连续模式 电感电流 2009 Micro

13、chip Technology Incorporated. 版权所有。 C10L18 PFC 第 27 页 PFC升压转换器 + - Vac C2 R1 R2 R4 R5 R3 R6 R sense -HV_BUS +HV_BUS C1 C4 L1 Q1 D1 PWM1H |V AC | 检测 V DC 检测 I AC 检测 C3 初级 LIVE_GND PFC MOSFET 升压二极管 PFC电感 2009 Microchip Technology Incorporated. 版权所有。 C10L18 PFC 第 28 页 控制策略之平均电流控制 I L I S I D 升压型PFC I L

14、 平均电流控制 控制流经电感的平均电流 IL ，使其跟随瞬时输入电压, 并将谐波抑制到最低， 同时能根据负载状况，自动调节平均电流幅值，并抑制输出电压波动。 S D L C - + + - v 1 I L I D I S 控制流经电感的平均电流 t ON 2009 Microchip Technology Incorporated. 版权所有。 C10L18 PFC 第 29 页 电流控制策略 电感电流 iL 模型（整流前） 电感电流 iL 模型（整流后） 其中： Km ： 电流幅度 vout ： 直流输出电压 vac-rms： 交流电压有效值 wo ： 交流电压频率 ) sin( * * *

15、 0 t v v K i rms ac out m L = ) sin( * * * 0 t v v K i rms ac out m L = 2009 Microchip Technology Incorporated. 版权所有。 C10L18 PFC 第 30 页 数字PFC VS 模拟PFC 数字PFC 模拟PFC 灵活性 高 低 集成度 高 中 动态响应 可调节 固定 工作模式 可调节 固定 智能化 智能型 非智能型 成本 低 中/ 低 数字PFC 优于模拟PFC 2009 Microchip Technology Incorporated. 版权所有。 C10L18 PFC 第 3

16、1 页 课程安排 功率因数在电源变换系统中的意 义 如何实现功率因数校正? 单阶的交错式功率因数校正器的 设计 基于dsPIC DSC的数字环的实现 调节器设计及负载均衡技术 演示 2009 Microchip Technology Incorporated. 版权所有。 C10L18 PFC 第 32 页 设计指标 参数 符号 目标 输出功率 P 350W 交流输入电压 V ACmin , V ACmax 85V-264V 交流输入频率 f min , f max 45Hz-66Hz 输出电压 V DC 400V (1.5% ) 效率 95% ( 额定状况) 功率因数 PF 0.99 ( 额

17、定状况) 2009 Microchip Technology Incorporated. 版权所有。 C10L18 PFC 第 33 页 PFC升压转换器 + - Vac C2 R1 R2 R4 R5 R3 R6 R sense -HV_BUS +HV_BUS C1 C4 L1 Q1 D1 PWM1H |V AC | 检测 V DC 检测 I AC 检测 C3 初级 LIVE_GND PFC MOSFET 升压二极管 PFC电感 2009 Microchip Technology Incorporated. 版权所有。 C10L18 PFC 第 34 页 IPFC工作过程（1/3 ） 85 -

18、265V AC （整流后） PWM1 I s1 PWM2 I L2 I s2 I D2 PFC 输出 I C I IN I L1 I D1 I Load R 1 R 2 R 3 C 1 |V AC | 检 测 R sense I AC 检测 Q 2 Q 1 R 4 R 5 R 6 C 4 V DC 检测 2009 Microchip Technology Incorporated. 版权所有。 C10L18 PFC 第 35 页 IPFC 工作过程（2/3 ） PWM1 PWM2 IL1 IL2 85 -265V AC（整流后） PWM1 I s1 PWM2 I L2 I s2 I D2 PF

19、C 输出 I C I IN I L1 I D1 I Loa d 占空比 = 50% (IL1 + IL2) t 2009 Microchip Technology Incorporated. 版权所有。 C10L18 PFC 第 36 页 IPFC 工作过程（3/3 ） PWM1 PWM2 IL1 IL2 (IL1 + IL2) 85 -265V AC （整流后） PWM1 I s1 PWM2 I L2 I s2 I D2 PFC output I C I IN I L1 I D1 I Load 占空比 50% t 2009 Microchip Technology Incorporated.

20、 版权所有。 C10L18 PFC 第 37 页 IPFC 的优点 降低蓄能电容器的充放电电流 降低蓄能电容器的容量 交流侧输入电流更平滑 得益于电感电流波动的相互抵消 电感 电感量小 尺寸小 2009 Microchip Technology Incorporated. 版权所有。 C10L18 PFC 第 38 页 课程安排 功率因数在电源变换系统中的意 义 如何实现功率因数校正? 单阶的交错式功率因数校正器的 设计 基于dsPIC DSC的数字环的实现 调节器设计及负载均衡技术 演示 2009 Microchip Technology Incorporated. 版权所有。 C10L18

21、 PFC 第 39 页 数字电源的优点 减少元器件数量 设计更灵活 控制更灵活 有效保护知识产权 可实现非线性/自适应控制 可实现多级电源的设计 故障记录及诊断 灵活的故障处理 2009 Microchip Technology Incorporated. 版权所有。 C10L18 PFC 第 40 页 2 相IPFC 数字信号控制器 dsPIC DSC PWM 模块 L2 D1 D2 Q1 Q2 - + - + 数字控制系统 DSP+MCU V DC IQ 2 IQ 1 V AC I AC ADC PWM1 PWM2 DC400V PWM1 PWM2 L1 85 -265V AC （整流后）

22、 2009 Microchip Technology Incorporated. 版权所有。 C10L18 PFC 第 41 页 dsPIC DSC 片上外设资源分配 功能描述 片上外设 栅极驱动-Q1 ，Q2 PWM1 ，PWM2 交流电流（整流后） ADC 交流电压（整流后） ADC 直流母线电压 ADC 源极电流-Q1 ADC 源极电流-Q2 ADC 2009 Microchip Technology Incorporated. 版权所有。 C10L18 PFC 第 42 页 算法框图 V PI V DCref V DC + - V ERR 电压环 * * V AC V COMP 1/V

23、 avg 2 V avg V AC I ACref * 电 压 前馈补 偿 至 功率驱动 I AC + - PWM OCx I ERR 电流环 V DC V AC I AC ANx ANx ANx ADC 2009 Microchip Technology Incorporated. 版权所有。 C10L18 PFC 第 43 页 数字PFC之完全框图 k 2 Load k 3 k 1 V ac I ac V dc L C D S I D I S I ac V dc dsPIC DSC V DC + - V ERR 电压环 I AC + - I ERR 电流环 V AC V PI V COMP

24、 I ACref * * * V DCref 1 / V AVG 2 电压前馈 PWM PWM 2009 Microchip Technology Incorporated. 版权所有。 C10L18 PFC 第 44 页 数据格式 运算变量及常数归一化至 小数格 式：Q15 （1.15） 0x7FFF 32767 + 0.999 0x0000 0 0.000 0x8000 -32768 - 1.000 如何归一化： 设定参数的极限值VMAX 选定变换常数K K * VMAX = 1.0 V DCmax(dig) = V DCmax * K 1 = 1 V ACmax(dig) = V ACm

25、ax * K 2 = 1 I ACmax(dig) = I ACmax * K 3 = 1 205V 0V 410V 0x0000 0x3FFF 0x7FFF 5.00V 2.50V 3.75V 2009 Microchip Technology Incorporated. 版权所有。 C10L18 PFC 第 45 页 模拟信号的测量 低通滤波 模拟 信号 ADC CPU “模拟信号” 是指被测量信号 ADC 将模拟信号的幅值变换至以10 位码表 示的二 进制数-Q1.9 （0 至1024） dsPIC DSC 数字信号控制器的数据单元为16 位-Q1.15 ADC 可自动将变换结果转换至1

26、6位 的表示 方式 dsPIC DSC 2009 Microchip Technology Incorporated. 版权所有。 C10L18 PFC 第 46 页 IPFC S/W 策略之信号检测及数字环 信号名 采样/运行频率 V DC 100kHz I AC 100kHz |V AC | 100kHz |V AC | AVG 15Hz MOSFET 开关频率 100kHz 电流环 50kHz 电压环 2kHz 负载均衡 2KHz 2009 Microchip Technology Incorporated. 版权所有。 C10L18 PFC 第 47 页 课程安排 功率因数在电源变换系

27、统中的意 义 如何实现功率因数校正? 单阶的交错式功率因数校正器的 设计 基于dsPIC DSC的数字环的实现 调节器设计及负载均衡技术 演示 2009 Microchip Technology Incorporated. 版权所有。 C10L18 PFC 第 48 页 PFC关键技术之电压环 电压环 稳定输出电压 限定输出电压波动 电压环带宽 10-20 Hz 小于输入电压频率及其二次谐波 2009 Microchip Technology Incorporated. 版权所有。 C10L18 PFC 第 49 页 PFC关键技术之电压环 带宽：10 Hz 转折频率：10 Hz 积分项带宽：

28、2.5 Hz V DCref V DC + - V ERR 电压环 V PI ANx 2009 Microchip Technology Incorporated. 版权所有。 C10L18 PFC 第 50 页 电流环 电流环 调节输入电流，跟随输入电压 保持输入电流与输入电压同相 电流环带宽 2-10 kHz （4kHz ） 受控电流带宽：80-135 Hz 2009 Microchip Technology Incorporated. 版权所有。 C10L18 PFC 第 51 页 电流环框图 I ACref I AC + - I ERR 电流环 I PI ANx 带宽：4 kHz 转折

29、频率（通带频率）：8 kHz 积分项带宽：1000Hz 2009 Microchip Technology Incorporated. 版权所有。 C10L18 PFC 第 52 页 电压解耦 抑制 V ac 和V dc 的瞬态变化 占空比近似于：D = 1- Vac/Vdc 控制环只提供占空比在此基础上的微小变化 减轻系统负担，提高IPFC性能 实际应用的占空比为：D = 1 - (Vac V L )/Vdc + V ac V L 1/V DC 1 - - + * * D （负载均衡之前） V L ：电流环之输出 X V DC ：电压环之输出 2009 Microchip Technolog

30、y Incorporated. 版权所有。 C10L18 PFC 第 53 页 负载均衡的实现 应用需求：平等分担负载 寿命/可靠性：安全工作区SOA 实现方法：相对电流控制 反馈：MOSFET平均电流检测 2009 Microchip Technology Incorporated. 版权所有。 C10L18 PFC 第 54 页 负载均衡的实现 选择 1 分支电流被简单地设定为I*(1/2) 各分支需高等级的电流传感器 选择 2 相对电流控制 利用分支电流差异PI 调节器产生一占空比微调分量 占空比微调分量（最大5% ）实现对实际占空比的二 次调整 分支电流信号经深度滤波 分支电流差异PI

31、 补偿器的带宽较低（约10Hz ） 2009 Microchip Technology Incorporated. 版权所有。 C10L18 PFC 第 55 页 负载均衡的实现 PI I1 + I2 - D D Zero + D2 D1 I diff + + + - D - 负载均衡环带宽：200Hz 负载均衡PI 补偿器零点位置：50 Hz 2009 Microchip Technology Incorporated. 版权所有。 C10L18 PFC 第 56 页 软件状态转移图 初始化 等待 AD 中断 复位 软启动 更新占空比 D1 和D2 V DC 400V PWM PI （负载均

32、衡） I ac PI （电流环） I Q1 PI （电压环） 电压解耦 V ac 2009 Microchip Technology Incorporated. 版权所有。 C10L18 PFC 第 57 页 Simulink仿真框图 PFC 系统模型 2009 Microchip Technology Incorporated. 版权所有。 C10L18 PFC 第 58 页 Simulink仿真框图 升压电路模型 补偿器模型 2009 Microchip Technology Incorporated. 版权所有。 C10L18 PFC 第 59 页 Simulink仿真框图 整 流 后交

33、流 电压 (|V AC |) 电感电流 (I AC ) 2009 Microchip Technology Incorporated. 版权所有。 C10L18 PFC 第 60 页 课程安排 功率因数在电源变换系统中的意 义 如何实现功率因数校正? 单阶的交错式功率因数校正器的 设计 基于dsPIC DSC的数字环的实现 调节器设计及负载均衡技术 演示 2009 Microchip Technology Incorporated. 版权所有。 C10L18 PFC 第 61 页 总结 功率因数的意义 PFC 基本概念 单阶IPFC 数字 PFC 的实现 软件控制系统的实现 2009 Micr

34、ochip Technology Incorporated. 版权所有。 C10L18 PFC 第 62 页 演示 交流电流 分支电流 功率因数：PF 和THD 2009 Microchip Technology Incorporated. 版权所有。 C10L18 PFC 第 63 页 反馈？ 2009 Microchip Technology Incorporated. 版权所有。 C10L18 PFC 第 64 页 参考资料 A.I. Pressman, “Switching Power Supply Design” N.S. Nise, “Control Systems Enginee

35、ring” C.K. Tse, “Circuit Theory of Power Factor Correction in Switching Converters” A. Hofmann, A.Baumuller, T. Gerhardt, M. Marz, E. Schimanek, “A robust digital PFC control method suitable for low-cost microcontroller” L. Rossetto, G.Spiazzi, P. Tenti, “Control Techniques for Power Factor Correcti

36、on Converters” L.Rossetto, G.Spiazzi, “Design Considerations on Current-Mode and Voltage-Mode control Methods for Half-Bridge Converters” W.Gu, J.Abu-Qahouq, S.Luo, I.Batarseh, “A ZVT-PWM single stage PFC converter with an active snubber” M. Brown, “Power Supply Cookbook” M. Kazimierczuk, D. Czarkow

37、ski, “Resonant Power Converters” 2009 Microchip Technology Incorporated. 版权所有。 C10L18 PFC 第 65 页 商标 Microchip 的名称和徽标组合、Microchip 徽标、dsPIC 、KeeLoq、KeeLoq徽标、 MPLAB、PIC 、PICmicro 、PICSTART 、rfPIC 和 UNI/O 均为Microchip Technology Inc. 在美国和其他国家或地区的注册商标。 FilterLab、Hampshire、HI-TECH C、Linear Active Thermisto

38、r 、MXDEV、 MXLAB、SEEVAL 和The Embedded Control Solutions Company 均为Microchip Technology Inc. 在美国的注册商标。 Analog-for-the-Digital Age 、Application Maestro、CodeGuard、dsPICDEM、 dsPICDEM.net 、dsPICworks、dsSPEAK、ECAN、ECONOMONITOR 、 FanSense 、HI-TIDE 、In-Circuit Serial Programming 、ICSP 、Mindi 、MiWi、 MPASM、MPL

39、AB Certified 徽标、MPLIB、MPLINK、mTouch 、Octopus 、 Omniscient Code Generation、PICC、PICC-18、PICDEM 、PICDEM.net 、 PICkit 、PICtail、PIC32徽标、REAL ICE 、rfLAB、Select Mode、Total Endurance 、TSHARC、UniWinDriver 、WiperLock 和ZENA 均为Microchip Technology Inc. 在美国和其他国家或地区的商标。 SQTP是Microchip Technology Inc. 在美国的服务标记。 在此提及的所有其他商标均为各持有公司所有。 2009, Microchip Technology Inc. 版权所有。