PDF《AN1106》

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2008 Microchip Technology Inc.

DS01106A_CN 第1页AN1106 简介 在大多数能量转换应用中,紧接交流输入源之后是 AC/ DC 转换部分. 交流输入源经过 AC/DC 整流获得直流输 出以供给后续单元. 整流电压源采用正弦波输入并具有容性滤波环节.不论 与其连接的负载如何,其输出都为断续、短暂的高峰值 电流脉冲. 由于许多应用中需要直流电压源,因此一个具有容性滤 波器的整流器是必要的.然而,这将导致断续、短暂的 电流尖峰.当主电源输出这种类型的电流时,由此产生 的电路损耗、总谐波含量和辐射干扰都将显著增加.在 功率等级大于

500 瓦的应用中,这些问题显得尤为突 出. 电力系统中电力质量的定量测量通常有两个要素,即功 率因数 (Power Factor, PF)和总谐波失真 (Total Harmonic Distortion, THD).电力系统消耗的有功功 率主要由系统的 PF 确定. 提高功率因数的益处包括: ? 较低的能量和配电成本 ? 降低配电过程中的电力系统损耗 ? 更好的电压调节 ? 提升满足电力需求的能力 本应用笔记主要围绕基于数字信号控制器 (Digital Signal Controller, DSC)进行功率因数校正 (Power Factor Correction, PFC)的研究、设计和具体实现. 其中对基于

16 位定点 dsPIC? DSC 的功率因数校正软 件实现进行了详细介绍.另外,还包括误差补偿器的离 散化和一个设计示例.作为结论,本文给出了一些实验 室测试结果和波形以验证 PFC 转换器数字实现的有效 性. 结合多种功率电子外设 (如模数转换器 (Analog-to- Digital Converter , ADC)和脉冲宽度调制器 (Pulse Width Modulator,PWM) ) ,具有低成本和高性能特点 的DSC 使得电力相关应用的数字化设计和研发变得更 为简便和容易. 基于数字化实现的 PFC 具有以下一些优势: ? 易于实现先进控制算法 ? 软件修改具有灵活性,可满足特定用户需求 ? 方便与其他应用进行集成 功率因数在电力和控制系统中的重要性 在理解 PF 之前,有必要了解功率包含以下两个分量: ? 有功功率 ? 无功功率 有功功率指的是实际消耗的功率并被用户所在地的电表 所记录.有功功率将电能实际转换为其他形式能量,如 产生热能、光能和机械能.有功功率以千瓦 (kW)为 单位,在电表中记录形式为千瓦时 (kWh) . 无功功率不产生有用功,但仍需要它来产生和维持工业 感性负载(如感应电机驱动的泵或风机、焊接机和许多 其他设备)运行所需的电磁场.无功功率以千乏(kVAR)为单位. 所需要的总功率,包括有功功率和无功功率,被称为视 在功率,其单位为千伏安 (kVA) . 功率因数作为一个参数,它给出了任何系统所消耗的有 功功率在总视在功率中所占的比率.功率因数之所以是 一个重要的可测量数值,是因为它通常对经济效益有着 显著的影响. 图1显示了使用和未使用 PFC 情况下的典型电流波形. 作者: Vinaya Skanda Microchip Technology Inc. 使用 dsPIC? DSC 实现能量转换应用中的功率因数校正 DS01106A_CN 第2页?2008 Microchip Technology Inc. AN1106 图1: 使用和未使用 PFC 时的电流波形 这些波形表明PFC能够改善从主电源汲取的输入电流品 质并减少直流母线电压纹波. PFC的目标是使得电源的电流负载相当于一个简单的电 阻负载.这将使得配电系统运行起来更有效率并减少电 能损耗. 功率因数等于有功功率除以视在功率,如公式

1 所示. 公式 1: 功率因数 当比值偏离常数时,表明输入包含相移、谐波失真或者 两者兼有.这两种情形都将使得功率因数恶化. 系统中损失掉的其他功率称为无功功率,是由以下两个 原因造成的: ? 电流与电压相位不一致,导致相位差 ? 电流中存在谐波分量,导致电流失真 这两个因素对相移因子和失真因子进行了定义,给出了 功率因数的表达式,如公式

2 所示.电压和电流之间的 相移大小表明负载中的无功程度. 输入电压 直流母线输出电压 输入电流 直流母线输出电压 输入电流 无PFC 有PFC

0 0 功率因数 = 有功功率 / 电压 x 电流 ?

2008 Microchip Technology Inc. DS01106A_CN 第3页AN1106 公式 2: 功率因数 谐波含量 电流谐波是正弦波,其频率为基波的整数倍.它们是电 网中连续的静态扰动.谐波与线扰动绝然不同,后者是 由电源浪涌而引起的短暂失真. 引起电流谐波的原因 导致电流谐波失真的主要原因为: ? 电力电子设备 (整流器、 UPS 系统、变频传动系 统、静态转换器、晶闸管系统、开关电源、可控硅 (SCR)系统等等. ) ? 辅助设备 (焊接机、电弧炉、汞灯等等. ) ? 饱和的感性设备 (发电机、电动机、变压器等等) 电流谐波引起的问题 电流谐波引起的问题很多,以下列举其中一部分: ? 引起控制系统组件的错误运行 ? 对敏感电子设备造成损害 ? 电路断路器故障跳闸并烧断保险丝 ? 电容、变压器、电动机和照明灯泡及其他电气设备 运行时出现过热现象 ? 对附近电子设备造成干扰 为减少电流谐波引起的这些问题,需对从输入源汲取的 电流进行整形使得其与电压波形相同.总谐波失真 (THD)如公式

2 所示. PFC旨在改善相移和失真因子从而使得系统能够从电源 获得最大的有功功率.这可通过减少由于无功元件引起 的系统损耗来实现,这将改善系统功率品质和总效率. 当功率转换器采用电压源供电时,如果对于供电电压来 讲使得功率转换器类似于一个线性电阻,则此时将能实 现输入电流波形对输入电压波形的跟随.例如,如果输 入电压(V)波形为正弦波,输入电流(I)也一样,如 同图

2 所示. 图2: 功率因数 = 相移因子 x 失真因子 其中: cosφ = 电压和电流的相移因子 THD = 总谐波失真 I1 = 从电源汲取的基波频率电流 I2 = 从电源汲取的二次谐波频率电流,其他次谐波电流依次类推 φ cos

1 1 I2 I1 ? ( )2 I3 I1 ? ( )

2 … + + + - ? φ cos

1 THD

2 + = 相移因子 失真因子 THD

1 I2 I1 ? ( )2 I3 I1 ? ( )

2 … + + + = 功率因数 = 线性电阻 R I V V I t V (t) I (t) DS01106A_CN 第4页?2008 Microchip Technology Inc. AN1106 如何使得功率转换器呈现阻性 系统中包含无源的无功元件如电感、电容以及有源开关 元件如 MOSFET 和IGBT, 如何能使转换器相对于供电 电压呈现阻性呢? 这一问题的解答基于以下事实:PFC 是一个低频应用. 因此,转换器无需在所有频率都呈现阻性,只需提供一 个滤波机制去除高频纹波. 转换器中的基本元件是电感 (L)和电容 (C) ,它们 都是零阶元件.这意味着这些元件将不能在一个开关周 期内储存能量,这是由于以下基本特性: ? 电感中的电流不能突变.这使其成为一个具有开路 开关和周期性电流源的割集,如图

3 所示. ? 电容两端电压不能突变.这使其成为一个包含闭合 开关和周期性电压源的闭合电路,如图

4 所示. 图3: 电流突变 图4: 电压突变 有源PFC必须同时控制输入电流和输出电压. 对电流的 整形是通过整流后的线电压来实现的,因此转换器的输 入呈现阻性.输出电压的控制是通过改变电流编程信号 的平均幅值来实现的. 图3和图

4 显示了两个基本特性,从而得到以下结论: ? 在低频范围内,电感和电容这两个元件可被认为是 阻性的. ? 流经电感的电流可通过编程控制为跟随供电电压而 其波形与电压波形相同.为实现这一目标,可使用 不同策略实现 PFC. 交流线阻性负载的有效电阻将按照实际负载功率需求缓 慢变化.线电流将保持与线电压的比例关系,但这一比 例常数将在数个线周期内缓慢变化. 电感电流 开路 I L + C 闭合 V - ?

2008 Microchip Technology Inc. DS01106A_CN 第5页AN1106 PFC 策略的理论背景 在基于 DSC 的应用中,相关模拟参数和控制环需要重 新定义和离散化.这将使得从现有硬件到数字化控制方 案的变换过程更为简便和合理. PFC的基本功能是使得从系统汲取的输入电流为正弦波 并与输入电压同相位.图5显示了 PFC 所需的组件框 图以及 PFC 与dsPIC 器件的接口. AC/DC 转换器部 分负责将交流输入电压转换为直流电压,并保持在高输 入功率因数下输入电流为正弦波.如同框图所示,控制 算法的实现需要三个输入信号. 输入整流器将工频交流电压转换为单向电压.这一整流 电压将被输入斩波器电路以产生平滑、恒定的直流输出 电压.该电压将输出至负载. 根据以下三个测量反馈信号, dsPIC器件负责产生PWM 开关脉冲实现对斩波器电路的控制. ? 整流后的输入电压 ? 整流后的输入电流 ? 直流母线电压 有源 PFC 采用的各种拓扑结构都基于图

5 所示框图. 图5: 功率因数校正组件框图 整流器 斩波器 整流电压 母线电流 直流电压 dsPIC? 数字信号控制器 负载 交流输入 开关脉冲 DS01106A_CN 第6页?2008 Microchip Technology Inc. AN1106 功率因数校正的拓扑结构 升压型 PFC 电路 升压型转换器产生的电压要高于输入整流电压,从而给 出了功率开关 (MOSFET)电压额定值 VOUT.图6显示了升压型PFC电路的........