降低PFC中THD的几种方法
降低PFC中THD的几种方法
在电源设计领域，功率因数校正（PFC）和总谐波失真（THD）是两个重要的技术指标。PFC用于提高电源的功率因数，减少无功功率；而THD则衡量信号中谐波成分的大小，对电源系统的稳定性和效率有重要影响。本文将介绍几种降低PFC中THD的有效方法。
总谐波失真（THD）是信号中存在的谐波失真，定义为一组较高谐波频率的均方根（RMS）振幅与一次谐波或基频的RMS振幅之比。公式1将THD表示为：
其中Vn是n次谐波的RMS值，V1是基波分量的RMS值。
在电力系统中，这些谐波会导致从电话传输干扰到导体性能下降等各种问题；因此，控制总THD非常重要。THD越低，电机中的峰值电流越低、发热越少、电磁辐射越低、磁芯损耗越小。
降低THD需要功率因数校正（PFC），这是输入功率大于75W的交流/直流电源所必需的。PFC会强制输入电流跟随输入电压，以便电子负载生成包含超小谐波的正弦电流波形。
THD要求越来越严格，在服务器应用中尤其如此。模块化硬件系统通用冗余电源（M-CRPS）规范在整个负载范围内定义了非常严格的THD要求，如表1所示。这比之前的CRPS THD规范更为严格。
表1. M-CRPS THD规范
在传统的环路调优可能无法满足要求的PFC设计中，满足此类严格的THD规范是一项巨大的挑战。本文将提供几种方法来帮助降低THD。
确保检测到的信号干净
PFC控制器可检测交流输入电压、电感器电流和PFC输出电压。这些检测到的信号必须干净，否则会影响THD。例如，由于交流输入电压信号生成正弦电流基准，因此检测到的信号上的任何尖峰都会导致电流基准失真并影响THD。
尽管输出电压（VOUT）信号不用于生成电流基准，但它也可能会影响THD，因为VOUT上的尖峰会在电压环路输出上产生纹波，这会影响电流环路基准并最终影响THD。如果尖峰的幅度足够大，则可能会触发电压环路非线性增益，从而显著提高THD。
一种常见的做法是将去耦电容器放置在靠近控制器检测引脚的位置。您必须仔细选择电容，以便有效降低噪声，但不引起过多延迟。使用一个数字无限脉冲响应滤波器来处理检测到的VOUT信号可进一步减少噪声；由于PFC电压环路比较慢，由该数字滤波器导致的额外延迟是可以接受的。
不过，对于交流电压检测，不建议添加数字滤波器，因为它会导致电流基准出现延迟。在这种情况下，您可以使用固件锁相环（PLL）来生成与交流电压同相的内部正弦波信号，然后使用生成的正弦波信号来调制电流基准。由于PLL生成的正弦波是干净的，即使检测到的交流电压上有一些噪声，电流环路基准也是干净的。
降低交流过零点处的电流尖峰
交流过零点处的电流尖峰是图腾柱无桥PFC的固有问题。这些尖峰可能会非常大，以至于无法符合M-CRPS THD规范要求。通过分析这些尖峰的根本原因，发现脉宽调制（PWM）软启动算法（如图1所示）可有效地减少尖峰。
图1. 交流过零点处的栅极信号时序
在此解决方案中，当VAC在交流过零点后从负周期变为正周期时，有源开关Q4首先以非常小的脉冲宽度导通，然后逐渐增加到由控制环路生成的占空比（D）。Q4上的软启动会逐渐将开关节点漏源电压（VDS）放电至零。一旦Q4的软启动完成，同步晶体管Q3开始导通。它从很小的脉冲宽度开始，然后逐渐增加，直到脉冲宽度达到1-D。当Q4的软启动完成且Q3的软启动开始时，低频开关Q2导通。
过零检测可能会被噪声错误地触发。出于安全考虑，在半个交流周期结束时，关断所有开关。这样会形成一个较小的死区，从而防止输入交流短路。从交流正周期到负周期的转换是相同的。图2展示测试结果。
图2. 不使用和使用PWM软启动功能时的电流波形：传统控制方法（a）和PWM软启动（b）
降低电压环路影响
电压环路输出上的双倍工频纹波会影响电流基准，从而影响THD。为尽可能减少这种频率纹波的影响，同时又不影响负载瞬态响应，可以在VOUT检测信号和电压环路之间添加一个数字陷波（带阻）滤波器。该陷波滤波器可以有效地衰减双倍工频纹波，同时仍能传递所有其他频率信号，包括负载瞬态导致的VOUT突变。负载瞬态不会受到影响。
另一种方法是在交流过零实例处检测VOUT。由于交流过零实例Vout_zc(t)处的VOUT的值等于其平均值，并且在稳态下是一个“常量”，因此它是用于电压环路控制的理想反馈信号。若要处理负载瞬态，请使用以下电压环路控制律：
If ((Vref – Vout(t) < Threshold)
{
Error = Vref – Vout_zc(t);
VoltageLoop_output = Gv(Error, Kp, Ki);
}
Else
{
Error = Vref – Vout(t);
VoltageLoop_output = Gv(Error, Kp_nl, Ki_nl);
}
如果瞬时VOUT误差很小，请使用交流过零实例Vout_zc (t)处的VOUT值和小比例积分（PI）环路增益Kp、Ki计算电压环路补偿器Gv。当发生导致瞬时VOUT误差大于阈值的负载瞬态时，为Gv使用瞬时Vout(t)值和PI环路增益Kp_nl、Ki_nl可将VOUT迅速恢复至其标称值。
过采样
PFC电感器电流是在每个开关周期中具有直流偏移的锯齿波；该电流随后进入运算放大器等信号调节电路，使信号适合PFC控制电路。不过，该信号调节电路无法充分衰减输入电流纹波。电流纹波仍出现在放大器的输出端。如果该信号在每个开关周期内仅采样一次，则不存在该信号始终代表平均电流的理想固定位置。因此，使用单个样本时，很难实现良好的THD。
为了获得更准确的反馈信号，建议使用过采样机制。图3展示可在每个开关周期内对电流反馈信号进行八次平均采样，对结果求平均值，然后将其发送至控制环路。过采样有效地计算电流纹波平均值，以便测量的电流信号更接近平均电流值。此外，控制器对噪声（包括信号噪声和测量噪声）的敏感度会降低。过采样是减少电流波形失真的有效方法之一。
图3. 在每个开关周期中进行八次过采样
占空比前馈
占空比前馈控制的基本原理是预先计算占空比，然后将此占空比添加到反馈控制器中。对于在连续导通模式下运行的升压拓扑，公式2可用于计算占空比（dFF）：
该占空比形式可在开关上有效地生成一个电压，此电压在一个开关周期内的平均值等于整流输入电压。常规电流环路补偿器会根据计算出的该占空比来更改占空比。
图4展示得到的控制方案。使用公式2计算dFF后，将其与传统的平均电流模式控制输出（dI）相加。然后，可以使用最终得到的占空比（d）生成PWM波形以控制PFC。
图4. 平均电流模式控制和dFF
鉴于占空比的大部分是由占空比前馈生成的，控制环路仅对计算出的占空比进行略微调整。这项技术可以帮助改善控制器环路带宽受限型应用中的THD。
交流周期跳跃
通常，满足轻负载THD要求比满足重负载THD要求更困难，特别是要满足M-CRPS规范中的5%负载THD要求时。如果PFC满足除5%负载时以外的所有其他THD要求，那么即使您已尝试到目前为止提到的所有方法，交流周期跳跃方法也会有所帮助。
将交流周期跳跃想象成一个特殊的突发模式：当负载小于预定义阈值时，PFC进入此模式，并根据负载跳过一个或多个交流周期。换句话说，PFC在一个或多个交流周期内关断，然后在下一个交流周期重新导通。导通和关断发生在交流过零点处，以便跳过整个交流周期。由于PFC在电流为零时导通和关断，因此应力和电磁干扰较小。交流周期跳跃与传统的PWM脉冲跳跃突发模式（随机跳过PWM脉冲）不同。
要跳过的交流周期数与负载成反比；负载越小，跳过的交流周期就越多。图5展示跳过一个交流周期。通道1是交流电压，通道4是交流电流。
图5. 轻负载下的交流周期跳跃
当PFC由于电流为零而关断时，THD为零。由于PFC需要补偿关断周期，因此它在导通时会提供大于平均值的大功率。实际上，这会在中等负载下运行PFC，或者将其完全关断。鉴于中等负载时的THD远低于轻负载时的THD，轻负载THD有所降低。
测试结果
我们在通过德州仪器（TI）C2000™微控制器控制的3kW图腾柱无桥PFC[5]上实施了本文所述的方法。图6展示240VAC时的THD测试结果。
图6. THD测试结果
THD不仅符合最新的M-CRPS THD规范，而且还具有足够的裕量，可确保PFC即使在具有硬件容差的情况下也能在大规模生产期间满足规范要求。