【導讀】功率因數校正(PFC)對于工業電機驅動來說越來越重要。這主要是因為公用事業公司一端加強諧波含量監管所導致的。但部署PFC也有好的一面，比如改善整體系統效率、導體額定值和分配電壓質量；這些優點對于工業環境下的其他負載(如直接在線感應電機和變壓器)可能是很重要的。
PFC可以使用有源電路拓撲來實現，比如單相[1]或三相升壓型整流器[2]，或者通過無源方式實現；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。兩種形式的PFC均試圖重現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公司、產生損耗的諧波電流和無功功率流。有源和無源PFC之間的權衡取舍與成本、無源元件權重和數量，以及PFC相關損耗有關。
在單相電機驅動中，有源PFC使用廣泛。對于三相系統而言，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能獲得某些優勢。有源PFC解決方案(直流或交流側)可提供最優電感尺寸、更低的功率損耗、重量和最佳功率因數。
在單相應用中(比如低功耗電機驅動)，默認使用如圖1所示的整流器輸入升壓轉換器。
圖1. 單相升壓PFC電路。
這些器件通常在50 kHz至100 kHz頻率范圍內進行開關，因而相比無源解決方案需要使用較小的直流側電感。對于三相系統而言，單開關拓撲可以包含交流或直流側高頻電感。
實現PFC控制的一個障礙是使用PFC電路和PFC控制器導致成本上升。系統內處理器處于隔離柵安全超低電壓(SELV)側的情況尤為如此。這種情況下，從主電機控制處理器內部實現PFC控制會增加復雜程度與成本，因為需將交流側測量結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頻率的電機控制應用服務優化的處理器來實現50 kHz至100 kHz PWM控制就有點難度了。
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])，并使其完全獨立于主系統控制器工作。但是，使用一個數字PFC控制器(比如ADP1047[4])并搭配電機控制處理器和數字隔離器，便可實現增值。然后，處理器可將部分時序、監控和保護功能交由PFC控制器負責，增強整體系統功能，同時降低成本。這種配置的好處如下：
● 啟動和關斷時序
● 系統級狀態信息
● 用戶界面顯示信息
● 異常條件監控
● 最大程度降低傳感器要求
● 備份測量/冗余
● 用作整體系統故障保護的一部分
● 控制器優化(通過效率)
圖2顯示了典型數字PFC控制器的系統監控、保護和時序能力。將諸如ADP1047器件集成功能置于主處理器的控制與監控之下，這樣做的優勢從系統設計角度而言是非常明顯的。可以降低總系統成本、復雜度并減少傳感器數量，哪怕PFC控制器自身的成本可能要高于其模擬器件。
圖2. 電機控制系統中的數字PFC控制器功能范圍。
圖3. 通用交流輸入電機控制平臺。
硬件平臺
ADI提供實驗平臺，用來在真實電機控制系統中驗證信號鏈元件和軟件工具。 該平臺的電路架構如圖3所示，平臺硬件如圖4所示。
圖4. 電機控制平臺硬件。
該系統表示一個功能完整的PMSM市電輸入電機驅動，具有功率因數校正、完全控制、通信信號隔離和光學編碼器反饋功能。該系統的核心是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設計用于單相PFC應用，ADP1048則特別針對交錯式和無電橋PFC應用而設計。數字PFC功能基于傳統的升壓PFC與輸出電壓反饋的乘法運算，并結合輸入電流和電壓來為AC/DC系統提供最佳的諧波校正和功率因數。所有信號都轉換到數字域以提供最大的靈活性，并且關鍵參數都可以通過PMBus接口提供報告和調整。ADP1047/ADP1048允許用戶優化系統性能，最大程度地提高負載范圍內的效率，并縮短設計上市時間。靈活的數控PFC引擎與精確的輸入功率計量功能的完美結合有利于智能電源管理系統的采用，從而利用其智能決策能力提高終端用戶的系統效率。在輕負載時，該器件支持以編程方式降低頻率，并能降低輸出電壓，從而進一步提高效率。ADP1047/ADP1048提供增強的集成特性和功能；浪涌電流和軟啟動控制功能的集成使元件數量顯著減少，并使優化設計更輕松。該器件針對高可靠性、冗余電源應用而設計，具有廣泛、魯棒的保護電路。它們還具備獨立過壓保護(OVP)和過流保護(OCP)、接地連續性監控和交流檢測。同時提供內部過溫保護(OTP)，外部溫度則可以通過外部檢測器件記錄。
系統工作原理
通過I2C/PMBus接口實現處理器與PFC控制器的通信，I2C數字隔離器提供域之間的接口，如圖5所示。處理器位于SELV電氣域內，PFC控制器參考高壓域內的直流總線通用電軌。三相逆變器的柵極驅動器開關信號通過雙通道隔離器，從處理器PWM模塊路由輸出。I2C接口的數據和時鐘信號以及通用數字信號同樣通過數字隔離器路由。
圖5. 數字信號隔離。
PFC控制器管理升壓PFC電路的控制和監控。這些任務從主電機控制軟件的流程中分流至低優先級的程序中，如圖6所示。PFC控制器參數在啟動期間配置。如果已有該功能，則通常可以通過將配置參數寫入控制器IC的EEPROM存儲器而跳過該步驟。如圖6所示，在典型電機控制系統中，速度和電流測量以及PWM控制器更新將作為高優先級中斷處理，而電流測量與PWM信號同步。可設置PFC控制器以便處理輸入側測量，比如輸入交流線路電壓和電流、直流總線電壓、輸入功率、PFC電路溫度。這些測量對于電機控制算法而言不算關鍵，不過直流總線電壓測量對于無傳感器算法可能比較重要。但這些測量對于整體系統級監控和控制器優化而言比較重要。它們可以進而由低優先級I2C數據處理任務或中斷例程請求和處理，并且計劃速率匹配系統監控時間常數。
圖6. 主電機控制程序結構。
圖7所示為平臺的Micrium Probe™用戶界面，其中直流總線基準電壓設為250 V。可以清楚看到交流和直流側的監控變量以及電機控制。
圖7. 用戶界面。
結論
由此節省的額外傳感器、數字I/O和處理器上的模擬引腳，以及調節和解釋測量變量的軟件開銷可能意味著處理器成本的下降，只要選擇性能較低的變體，或者釋放處理器硬件和軟件空間供其他優先級更高或系統增強型功能使用就可以實現。
本例中，相對于交流線路電壓的系統啟動序列，直流總線欠壓、過壓和交流側過流保護均通過PFC控制器實現。然而，必須謹慎地進行整體系統設計，因為主控制處理器應始終由PFC控制器負責控制或保護，以便在受到副邊影響時不會獨立執行操作。這種情況的一個例子便是PFC控制器由于直流總線瞬變過壓(比如因為電機制動事件)而經歷了一次全局PWM信號禁用。如果控制器未能檢測到該事件，則它將試圖調節PWM輸出(不會成功)以保持工作點。如果PFC控制器在過壓瞬變消失后重新使能PWM，則系統可能會由于PWM占空比的突然大幅增加而出現副邊故障。因此，管理PFC控制器與電機控制處理器之間的保護通信和時序時必須非常仔細。
總之，若在較低成本的模擬PFC控制器與更為昂貴的數字控制器之間選擇，那么潛在的權衡取舍就應當不僅根據PFC電路自身進行評估，還應考慮數字控制器更強大的功能所帶來的潛在系統級功能、增強性和成本的下降。本文旨在強調部分關鍵系統級增強特性，使用ADP1047以及單相電機驅動系統作為示例。
參考文獻
[1] L. Rossetto, G. Spiazzi, 和 P. Tenti.“Control Techniques for Power Factor Correction Converters (功率因數校正轉換器的控制技術)”。Proc. Int. Conf. Power Electron. Motion Control. Warsaw, Poland, 1994, pp.
[2] T. Friedli 和 J.W. Kolar.“The Essence of Three-Phase PFC Rectifier Systems (三相PFC整流器系統的本質)”。電信能源會議(INTELEC),2011 IEEE 33rd International, Vol., No., pp. 2011年10月。
[3] http://www.ti.com/product/uc3854
[4] http://www.analog.com/en/products/power-management/digital-powermanagement-ic/digital-pfc-controllers-power-metering/ADP1047.html
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