簡(jiǎn)化數(shù)字功率因數(shù)校正設(shè)計(jì)的軟件開發(fā)

在使用電力系統(tǒng)時(shí)，需要功率因數(shù)校正 (PFC) 系統(tǒng)來利用數(shù)字控制技術(shù)。PFC的英文全稱為“Power Factor Correction”，意思是“功率因數(shù)校正”，功率因數(shù)指的是有效功率與總耗電量（視在功率）之間的關(guān)系，也就是有效功率除以總耗電量（視在功率）的比值。 基本上功率因數(shù)可以衡量電力被有效利用的程度，當(dāng)功率因數(shù)值越大，代表其電力利用率越高。

功率因數(shù)是用來衡量用電設(shè)備用電效率的參數(shù)，低功率因數(shù)代表低電力效能。為了提高用電設(shè)備功率因數(shù)的技術(shù)就稱為功率因數(shù)校正。

工業(yè)用電是要?jiǎng)?chuàng)造價(jià)值，進(jìn)行商業(yè)盈利的；其次就是工業(yè)設(shè)備污染環(huán)境比較多；再次就是工業(yè)用電的傳輸成本高。”這個(gè)答案說明了一些問題，但是如果您具備專業(yè)知識(shí)，或者通過前面的學(xué)習(xí)，了解了什么是功率因數(shù)，那么您肯定能給出更專業(yè)的答案：“工業(yè)中使用的用電設(shè)備多為電感或電容性設(shè)備，其功率因數(shù)相對(duì)居民用電設(shè)備的功率因數(shù)較低，造成了電網(wǎng)中無功功率較高，電力公司需要多發(fā)電來維持這個(gè)無功功率，浪費(fèi)了這部分的電能，所以工業(yè)用電用戶就需要為這部分浪費(fèi)的電能買單。

電源系統(tǒng)的控制回路通常以快速運(yùn)行，以適應(yīng) PFC 功率級(jí)的快速開關(guān)頻率。此外，復(fù)雜的開關(guān)模式必須在開關(guān)模式的各個(gè)點(diǎn)處受到嚴(yán)格控制和修改。

被動(dòng)式PFC一般分“電感補(bǔ)償式”和“填谷電路式(Valley Fill Circuit)”

“電感補(bǔ)償式”是使交流輸入的基波電流與電壓之間相位差減小來提高功率因數(shù)，“電感補(bǔ)償式”包括靜音式和非靜音式?！半姼醒a(bǔ)償式”的功率因數(shù)只能達(dá)到0.7～0.8，它一般在高壓濾波電容附近。

“填谷電路式”屬于一種新型無源功率因數(shù)校正電路，其特點(diǎn)是利用整流橋后面的填谷電路來大幅度增加整流管的導(dǎo)通角，通過填平谷點(diǎn)，使輸入電流從尖峰脈沖變?yōu)榻咏谡也ǖ牟ㄐ?，將功率因?shù)提高到0.9左右，顯著降低總諧波失真。與傳統(tǒng)的電感式無源功率因數(shù)校正電路相比，其優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，功率因數(shù)補(bǔ)償效果顯著，并且在輸入電路中不需要使用體積大重量沉的大電感器。

主動(dòng)式PFC則由電感電容及電子元器件組成，體積小、通過專用IC去調(diào)整電流的波形，對(duì)電流電壓間的相位差進(jìn)行補(bǔ)償。主動(dòng)式PFC可以達(dá)到較高的功率因數(shù)──通常可達(dá)98%以上，但成本也相對(duì)較高。此外，主動(dòng)式PFC還可用作輔助電源，因此在使用主動(dòng)式PFC電路中，往往不需要待機(jī)變壓器，而且主動(dòng)式PFC輸出直流電壓的紋波很小，這種電源不必采用很大容量的濾波電容。

Texas Instruments基于單個(gè)C2000? TMS320F28035 微控制器(MCU)的數(shù)控2 相交錯(cuò)式功率因數(shù)校正 (ILPFC) 轉(zhuǎn)換器能夠控制 700W 交錯(cuò)式 PFC 功率級(jí)。該套件是一個(gè)參考設(shè)計(jì)，可以進(jìn)行修改以滿足定制系統(tǒng)要求。 

讓我們來看看這個(gè)設(shè)計(jì)的軟件是如何實(shí)現(xiàn)的。

該軟件由用 C 和 C 可調(diào)用程序集編寫的函數(shù)組成。程序的 C 部分由一個(gè)主循環(huán)和兩個(gè)在后臺(tái)運(yùn)行的中斷服務(wù)例程 (ISR) 組成。為了提高效率，更快的 100 kHz ISR 中的一些函數(shù)是用匯編語(yǔ)言編寫的。該設(shè)計(jì)的流程圖如下圖所示：

對(duì)于大多數(shù) PFC 設(shè)計(jì)，該軟件結(jié)構(gòu)保持不變。由于此架構(gòu)保持相似且僅補(bǔ)償器的補(bǔ)償系數(shù)發(fā)生變化，因此 TI 設(shè)計(jì)了一種流程來簡(jiǎn)化定制 PFC 板設(shè)計(jì)的軟件適配。powerSUITE數(shù)字電源軟件工具允許您僅修改幾個(gè) PFC 設(shè)計(jì)參數(shù)并生成滿足您的 PFC 系統(tǒng)要求所需的完整 PFC 代碼。如果您的設(shè)計(jì)需要使用不同的輸入或輸出電壓、不同的功率級(jí)元件值、不同的數(shù)字控制器或單相 PFC 拓?fù)?，您可以在解決方案適配器 GUI 上更改這些參數(shù)。

補(bǔ)償設(shè)計(jì)器中的 PFC 功率級(jí)模型使用解決方案適配器 GUI 中的值來繪制自定義 PFC 板的電壓和電流環(huán)路的理論環(huán)路增益波特圖。然后，您可以從此 GUI 修改補(bǔ)償器值，以實(shí)現(xiàn)電壓和電流環(huán)路的所需環(huán)路帶寬、增益裕度和相位裕度。

然后可以根據(jù)軟件頻率響應(yīng)分析儀 ( SFRA ) 的結(jié)果驗(yàn)證補(bǔ)償設(shè)計(jì)器生成的這些理論值。SFRA繪制的數(shù)據(jù)使用 C2000 MCU 中的可用處理能力測(cè)量和計(jì)算。這意味著頻率響應(yīng)完全在 MCU 上的軟件中測(cè)量，然后以數(shù)字方式傳輸?shù)?PC 以供查看。但是，這些數(shù)據(jù)也可以由 MCU 存儲(chǔ)和分析，以進(jìn)行片上系統(tǒng)分析。測(cè)量實(shí)際頻率響應(yīng)并將其傳回運(yùn)行 TI 的 Code Composer Studio? 集成開發(fā)環(huán)境的 PC 后，補(bǔ)償設(shè)計(jì)器將使用功率級(jí)頻率響應(yīng)的測(cè)量值來提供更準(zhǔn)確、基于測(cè)量的波特圖這可用于更精細(xì)地調(diào)整數(shù)字補(bǔ)償器，以實(shí)現(xiàn)所需的帶寬、增益裕度和相位裕度。