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一种降低PFC谐波和THD的谐波注入方法

2024-01-03 16:07:04 Bosheng Sun 阅读:
判断PFC性能的最重要标准之一是总谐波失真(THD),其要求最近变得更加严格,尤其是在服务器应用中。

输入功率大于75W的AC/DC电源,需要辅以功率因数校正(PFC),迫使其输入电流跟随输入电压,从而使电子负载看起来像纯电阻器一样。判断PFC性能的最重要标准之一是总谐波失真(THD),也即一组高次谐波频率的均方根(RMS)幅度与一次谐波(即基频)的RMS幅度之比,如公式1所示:xshednc

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其中,Vn是n次谐波电压的有效值,V1是基波分量的有效值。xshednc

最近,THD要求变得更加严格,尤其是在服务器应用中。根据最近发布的模块化硬件系统通用冗余电源(M-CRPS)基本规范1,THD应满足表1中列出的要求。xshednc

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表1:M-CRPS THD规格。xshednc

此外,国际电工委员会(IEC)61000-3-22(适用于额定电流高达16A的设备)规定了从二次谐波直到40次谐波的谐波电流最大值,以限制市电电压失真。图1中给出了IEC 61000-3-2谐波限值。xshednc

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图1:IEC 61000-3-2谐波限值。xshednc

降低THD和谐波是PFC设计中的一大挑战。尽管可通过回路调整方法使它们有效地减少,但在某些情况下这还不够。在其他情况下,PFC可能会通过THD测试,但在特定谐波下却会失败。xshednc

本文提出了一种主动补偿所有单次谐波的方法,从而降低该谐波的幅度。随着各次谐波的幅度降低,THD也会降低。而且,这种方法纯粹基于固件,灵活且没有额外成本。xshednc

生成正弦信号

此方法的基本思想是生成与要补偿的谐波具有相同阶次的正弦信号,并将该信号注入PFC电流控制回路以补偿该谐波。xshednc

因此需要首先找到基频,即交流输入电压频率。一般来说,PFC固件由两个主要部分组成:用于低优先级、低速任务(例如内务管理)的后台循环,以及用于高优先级、时间关键任务(例如信号测量和PFC控制)的中断循环。PFC控制器使用模数转换器(ADC)分别测量交流线路电压和交流中性线电压。每当以固定速率fisr(即中断循环的频率)执行中断循环例程时,CPU都会读取测量值。对测得的交流线路电压和交流中性线电压进行比较,即可确定交流过零时刻。根据两次连续交流过零所记录的ADC样本数,按照公式2即可计算出基频(交流频率):xshednc

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其中,f1是基频,N是两次连续交流过零期间的ADC样本总数。xshednc

下一步是创建一个与正弦波一个周期相对应的归一化正弦表。例如,表2给出了一个包含256个条目的归一化正弦表。正弦表的条目越多,生成的正弦波越平滑。xshednc

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表2:具有256个条目的归一化正弦表。xshednc

每次CPU执行中断循环例程时,它都会读取该表的一个元素。该表的元素可以由CPU连续地逐个读取,也可以在读取一个元素后,跳过几个元素来读取下一个元素。以跳读的方式读表会得到不同的正弦信号频率。例如,要从这个256项正弦表中生成第k阶正弦波,首先要计算步长,该步长指示了CPU下次执行中断循环例程时将读取哪个元素。可按公式3计算步长:xshednc

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其中f1是基频,k是阶数,256是正弦表中的条目总数。如果使用具有不同条目数的正弦表,则必须将256替换为相应的条目数。结果将左移m位以保持良好的步长分辨率。公式3将以后台循环进行计算。xshednc

在中断循环服务程序中,将根据公式4和公式5读取正弦表:xshednc

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其中,index_pointer指向要读取的正弦表中的元素。右移m位是因为公式3将index_step左移了m位。sine_value是此时期望的正弦波第k阶的值。xshednc

在每个中断服务程序中重复此过程,将产生完整的正弦波信号。xshednc

现在知道如何生成任意阶的正弦信号了。可以根据基频,生成预期的高阶正弦信号。例如,如果PFC的三次谐波太高而想要降低它,那就生成三阶正弦信号。如果需要抑制多于一阶的谐波,那就生成所有这些阶次的正弦信号并将它们组合起来。所生成的正弦信号的幅度被归一化了,因此需要将其乘以增益以获得适当的幅度。每个正弦信号的增益都经过了良好调整。还要根据负载和输入电压等工作条件对增益进行动态调整,以最大限度地提高补偿效果。这些正弦信号将被作为谐波信号注入电流回路。xshednc

由于交流电压频率持续受到监测,如果交流电压频率发生变化,基波频率将会自动更新,从而根据新的基波频率生成新的正弦信号。xshednc

将正弦信号注入电流回路

现在已准备好相应顺序的正弦信号,在将其注入控制回路之前,需要将其与交流电压同步。为此,如上所述,首先需要通过比较交流线路电压和交流中性点电压来检测交流过零。可以在VAC过零的瞬间,将准备好的正弦信号与VAC同步。xshednc

同步后,可以将这些正弦信号注入PFC电流回路——注入电流回路基准或脉宽调制(PWM)占空比。实验表明,注入PWM占空比可得到更好的结果。xshednc

然后在每个交流周期中重复上述过程。图2显示了该过程。xshednc

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图2:谐波注入流程图。xshednc

检测结果

笔者在由德州仪器(TI)UCD3138数字控制器控制的360W单相PFC上测试了此方法。谐波分析仪显示该PFC中的三次和五次谐波很高,因此笔者生成了三阶和五阶正弦信号并将它们注入到电流控制回路。如图3所示,谐波注入显著减少了三次和五次谐波。xshednc

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图3:有谐波注入和没有谐波注入的谐波比较。xshednc

由于各次谐波被抑制,THD也会降低。从图4可以看到,谐波注入后THD显著降低。xshednc

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图4:有谐波注入和没有谐波注入的THD比较。xshednc

总结

凭借数字控制器的灵活性,可以通过基于固件的谐波注入方法主动抑制PFC输入电流谐波,这有助于电源在无需额外硬件的情况下通过谐波和THD限制。xshednc

参考文献

1 “Modular Hardware System – Common Redundant Power Supply (M-CRPS) Base Specification.” Version 1.00, Release Candidate 4. Open Compute Project Foundation Server Design Project: Palo Alto, California, Nov. 1, 2022.2 “Electromagnetic Compatibility (EMC) – Part 3-2: Limits – Limits for Harmonic Current Emissions (Equipment Input Current £16 A Per Phase).” IEC 61000-3-2:2018. International Electrotechnical Commission: Geneva, Switzerland, Jan. 26, 2018.xshednc

(原文刊登于EDN姊妹网站Power Electronics News,参考链接:A Harmonic Injection Method to Reduce Harmonics and THD for PFC,由Franklin Zhao编译。)xshednc

本文为《电子技术设计》2024年1月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里xshednc

责编:Ricardo
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