簡介

功率因數(shù)校正(PFC)對于工業(yè)電機(jī)驅(qū)動來說越來越重要。這主要 是因?yàn)楣檬聵I(yè)公司一端加強(qiáng)諧波含量監(jiān)管所導(dǎo)致的。但部署 PFC也有好的一面,比如改善整體系統(tǒng)效率、導(dǎo)體額定值和分配 電壓質(zhì)量;這些優(yōu)點(diǎn)對于工業(yè)環(huán)境下的其他負(fù)載(如直接在線感 應(yīng)電機(jī)和變壓器)可能是很重要的。PFC可以使用有源電路拓?fù)?來實(shí)現(xiàn),比如單相[1]或三相升壓型整流器[2],或者通過無源方 式實(shí)現(xiàn);后者需正確使用低頻電感和電容,以便形成交流線路 電流包絡(luò)。兩種形式的PFC均試圖重現(xiàn)正弦或近似正弦的線路 電流,并與線路電壓同相,從而最大程度減少來自公用事業(yè)公 司、產(chǎn)生損耗的諧波電流和無功功率流。有源和無源PFC之間的 權(quán)衡取舍與成本、無源元件權(quán)重和數(shù)量,以及PFC相關(guān)損耗 有關(guān)。

在單相電機(jī)驅(qū)動中,有源PFC使用廣泛。對于三相系統(tǒng)而言, 無源諧波校正使用更廣,且三相線路上通常含有50 Hz或60 Hz大電 感,或者在整流器的直流側(cè)含有單個電感。然而,在較高功率 下使用有源PFC能獲得某些優(yōu)勢。有源PFC解決方案(直流或交流側(cè))可提供最優(yōu)電感尺寸、更低的功率損耗、重量和最佳功 率因數(shù)。
在單相應(yīng)用中(比如低功耗電機(jī)驅(qū)動),默認(rèn)使用如圖1所示的整流 器輸入升壓轉(zhuǎn)換器。

這些器件通常在50 kHz至100 kHz頻率范圍內(nèi)進(jìn)行開關(guān),因而相 比無源解決方案需要使用較小的直流側(cè)電感。對于三相系統(tǒng)而 言,單開關(guān)拓?fù)淇梢园涣骰蛑绷鱾?cè)高頻電感。

實(shí)現(xiàn)PFC控制的一個障礙是使用PFC電路和PFC控制器導(dǎo)致成本 上升。系統(tǒng)內(nèi)處理器處于隔離柵安全超低電壓(SELV)側(cè)的情況 尤為如此。這種情況下,從主電機(jī)控制處理器內(nèi)部實(shí)現(xiàn)PFC控 制會增加復(fù)雜程度與成本,因?yàn)樾鑼⒔涣鱾?cè)測量結(jié)果和控制信 號與處理器I/O和ADC相隔離。此外,若要采用通常針對10 kHz至 20 kHz PWM頻率的電機(jī)控制應(yīng)用服務(wù)優(yōu)化的處理器來實(shí)現(xiàn)50 kHz 至100 kHz PWM控制就有點(diǎn)難度了。

這種情況下,一種選擇是使用一個廉價的模擬PFC控制器(比如 UC3854[3]),并使其完全獨(dú)立于主系統(tǒng)控制器工作。但是,使用 一個數(shù)字PFC控制器(比如ADP1047[4])并搭配電機(jī)控制處理器和數(shù) 字隔離器,便可實(shí)現(xiàn)增值。然后,處理器可將部分時序、監(jiān)控 和保護(hù)功能交由PFC控制器負(fù)責(zé),增強(qiáng)整體系統(tǒng)功能,同時降低 成本。這種配置的好處如下:

* 啟動和關(guān)斷時序
* 系統(tǒng)級狀態(tài)信息
* 用戶界面顯示信息
* 異常條件監(jiān)控
* 最大程度降低傳感器要求
* 備份測量/冗余
* 用作整體系統(tǒng)故障保護(hù)的一部分 X 控制器優(yōu)化(通過效率)

圖2顯示了典型數(shù)字PFC控制器的系統(tǒng)監(jiān)控、保護(hù)和時序能力。 將諸如ADP1047器件集成功能置于主處理器的控制與監(jiān)控之 下,這樣做的優(yōu)勢從系統(tǒng)設(shè)計角度而言是非常明顯的。可以降 低總系統(tǒng)成本、復(fù)雜度并減少傳感器數(shù)量,哪怕PFC控制器自 身的成本可能要高于其模擬器件。

硬件平臺

ADI提供實(shí)驗(yàn)平臺,用來在真實(shí)電機(jī)控制系統(tǒng)中驗(yàn)證信號鏈元件和軟件 工具。 該平臺的電路架構(gòu)如圖3所示,平臺硬件如圖4所示。

該系統(tǒng)表示一個功能完整的PMSM市電輸入電機(jī)驅(qū)動,具有功率 因數(shù)校正、完全控制、通信信號隔離和光學(xué)編碼器反饋功能。 該系統(tǒng)的核心是ARM?Cortex?-M4混合信號控制處理器,即ADI的 ADSP-CM408。由ADP1047來執(zhí)行PFC前端控制,該器件集成精密 輸入功率計量功能和浪涌電流控制。ADP1047設(shè)計用于單相PFC 應(yīng)用,ADP1048則特別針對交錯式和無電橋PFC應(yīng)用而設(shè)計。數(shù) 字PFC功能基于傳統(tǒng)的升壓PFC與輸出電壓反饋的乘法運(yùn)算,并 結(jié)合輸入電流和電壓來為AC/DC系統(tǒng)提供最佳的諧波校正和功 率因數(shù)。所有信號都轉(zhuǎn)換到數(shù)字域以提供最大的靈活性,并 且關(guān)鍵參數(shù)都可以通過PMBus接口提供報告和調(diào)整。

ADP1047/ ADP1048允許用戶優(yōu)化系統(tǒng)性能,最大程度地提高負(fù)載范圍內(nèi) 的效率,并縮短設(shè)計上市時間。靈活的數(shù)控PFC引擎與精確的輸 入功率計量功能的完美結(jié)合有利于智能電源管理系統(tǒng)的采用, 從而利用其智能決策能力提高終端用戶的系統(tǒng)效率。在輕負(fù)載 時,該器件支持以編程方式降低頻率,并能降低輸出電壓,從而進(jìn)一步提高效率。ADP1047/ADP1048提供增強(qiáng)的集成特性和功 能;浪涌電流和軟啟動控制功能的集成使元件數(shù)量顯著減少, 并使優(yōu)化設(shè)計更輕松。該器件針對高可靠性、冗余電源應(yīng)用而 設(shè)計,具有廣泛、魯棒的保護(hù)電路。它們還具備獨(dú)立過壓保護(hù) (OVP)和過流保護(hù)(OCP)、接地連續(xù)性監(jiān)控和交流檢測。同時提供 內(nèi)部過溫保護(hù)(OTP),外部溫度則可以通過外部檢測器件記錄。