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用微控制器控制的400W数字PFC升压变换器
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400W Digital PFC Boost Converter Controlled by
A Microcontroller
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■山东沂光电子股份公司高级工程师 杨建得
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近十几年中，基于功率因数校正(PFC)控制IC的有源PFC技术在开关电源、变频调速器和荧火灯交流电子镇流器等领域中得到广泛应用。这类有源PFC都能在桥式整流器输入端产生与AC输入电压同相位的正弦波电流，系统功率因数接近于1。
数字PFC技术则产生非正弦波AC输入电流。通过对非正弦波电流的整形，同样能使电流谐波满足IEC1000-3-2(或EN6100-3-2)等标准的要求，使线路功率因数达0.99以上。
一种输出功率为400W的数字PFC电路如图1所示。这种数字PFC预调整器为减小输出电容器容量和体积，亦即为在同样的输出功率下有较小的输出电流，也采用了升压拓朴结构。该数字PFC升压变换器采用ST90E30标准型微控制器和开关电源用电流型PWM控制器UC3843进行控制。虽然该电路要比以PFC控制IC为中心的有源PFC升压变换器复杂一些，并且只利用了ST90E30一个多功能定时器和A/D转换器的三个通道，但微控制器的其它空闲功能，可用于控制和管理与PFC预调整器相连接的象三相感应电机驱动这类逆变器。从这个意义上讲，数字PFC电路成本虽有所增加，但从整个系统成本与性价比来看，反倒是提高了。
数字PFC升压变换器中的UC3843和ST90E30的工作电压，由降压变压器TR1、桥式整流器(D6)和稳压器TDA8139等组成的DC稳压电源提供。图1所示的数字PFC电路的工作原理，可以用图2所示的简图来说明。图2中的L为升压电感器、T为PFC功率开关(MOSFET)、Rs为电流感测电阻、D为升压二极管、Co为输出电容器。微控制器(ST9)的A/D转换器分别监测由电阻分压器采样的100Hz的全波整流直流正弦半波输出电压和PFC升压变换器的DC输出电压。数字PFC预调整器包含DC输出电压调节环路和电流调节环路，以使DC输出电压在负载变化时能保持恒定并整形电流波形，使电流谐波含量在标准规定的限制之内。UC3843内的比较器和触发器及其驱动的MOSFET，控制电流调节环路的电流波形。在电压调节环路中，ST9的一个信道的PWM输出经滤波产生一个参考电压Vref，Rs两端产生的电流感测电压与Vref进行比较，以限制AC输入电流的峰值。来自ST9的时钟信号使通过MOSFET的电流保持同步，在时钟上升沿上，触发器置位，MOSFET导通。当开关电流达到限制值时，触发器通过比较器复位，MOSFET截止。为完成静态和动态输出电压的调整，ST9利用输出电压两个相邻的取样计算静态和动态电压误差及其变化率，通过改变占空因数进行误差补偿。对电压检测的抗干扰能力及对AC输入电压的跨零检测，由ST9的软件保证。与此同时，微控制器的A/D转换器利用软件支持，还提供输入欠电压、输出过电压及短路检测与保护等功能。
数字PFC升压变换器在AC电压输入端产生与其同相位的非正弦波电流，如图3所示。通过控制电流峰值和上升沿及下降沿的时间及幅度，能使电流谐波含量低于标准规定限制。
采用数字PFC与不带PFC时比较，AC输入电流与电压保持同相位，峰值电流由7A降至2.2A，有效值电流由3A降至1.8A，2次和3次谐波分别由2A和1A降至0.07A和0.25A，1
39次谐波全部符合标准要求，系统功率因数由0.6左右提高到0.99，输出电压波降低50%以上，在输入电压从140V到300V变化时，输出电压变化低于2%。
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