简介
功率因数校正(PFC)对于工业电机驱动来说越来越重要。这主要 是因为公用事业公司一端加强谐波含量监管所导致的。但部署 PFC也有好的一面,比如改善整体系统效率、导体额定值和分配 电压质量;这些优点对于工业环境下的其他负载(如直接在线感 应电机和变压器)可能是很重要的。PFC可以使用有源电路拓扑 来实现,比如单相[1]或三相升压型整流器[2],或者通过无源方 式实现;后者需正确使用低频电感和电容,以便形成交流线路 电流包络。两种形式的PFC均试图重现正弦或近似正弦的线路 电流,并与线路电压同相,从而最大程度减少来自公用事业公 司、产生损耗的谐波电流和无功功率流。有源和无源PFC之间的 权衡取舍与成本、无源元件权重和数量,以及PFC相关损耗 有关。
在单相电机驱动中,有源PFC使用广泛。对于三相系统而言, 无源谐波校正使用更广,且三相线路上通常含有50 Hz或60 Hz大电 感,或者在整流器的直流侧含有单个电感。然而,在较高功率 下使用有源PFC能获得某些优势。有源PFC解决方案(直流或交流侧)可提供最优电感尺寸、更低的功率损耗、重量和最佳功 率因数。
在单相应用中(比如低功耗电机驱动),默认使用如图1所示的整流 器输入升压转换器。
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图1. 单相升压PFC电路。这些器件通常在50 kHz至100 kHz频率范围内进行开关,因而相 比无源解决方案需要使用较小的直流侧电感。对于三相系统而 言,单开关拓扑可以包含交流或直流侧高频电感。
实现PFC控制的一个障碍是使用PFC电路和PFC控制器导致成本 上升。系统内处理器处于隔离栅安全超低电压(SELV)侧的情况 尤为如此。这种情况下,从主电机控制处理器内部实现PFC控 制会增加复杂程度与成本,因为需将交流侧测量结果和控制信 号与处理器I/O和ADC相隔离。此外,若要采用通常针对10 kHz至 20 kHz PWM频率的电机控制应用服务优化的处理器来实现50 kHz 至100 kHz PWM控制就有点难度了。
这种情况下,一种选择是使用一个廉价的模拟PFC控制器(比如 UC3854[3]),并使其完全独立于主系统控制器工作。但是,使用 一个数字PFC控制器(比如ADP1047[4])并搭配电机控制处理器和数 字隔离器,便可实现增值。然后,处理器可将部分时序、监控 和保护功能交由PFC控制器负责,增强整体系统功能,同时降低 成本。这种配置的好处如下:
* 启动和关断时序
* 系统级状态信息
* 用户界面显示信息
* 异常条件监控
* 最大程度降低传感器要求
* 备份测量/冗余
* 用作整体系统故障保护的一部分 X 控制器优化(通过效率)
图2显示了典型数字PFC控制器的系统监控、保护和时序能力。 将诸如ADP1047器件集成功能置于主处理器的控制与监控之 下,这样做的优势从系统设计角度而言是非常明显的。可以降 低总系统成本、复杂度并减少传感器数量,哪怕PFC控制器自 身的成本可能要高于其模拟器件。
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图2. 电机控制系统中的数字PFC控制器功能范围。硬件平台
ADI提供实验平台,用来在真实电机控制系统中验证信号链元件和软件 工具。 该平台的电路架构如图3所示,平台硬件如图4所示。
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图3. 通用交流输入电机控制平台。
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图4. 电机控制平台硬件。该系统表示一个功能完整的PMSM市电输入电机驱动,具有功率 因数校正、完全控制、通信信号隔离和光学编码器反馈功能。 该系统的核心是ARM®Cortex®-M4混合信号控制处理器,即ADI的 ADSP-CM408。由ADP1047来执行PFC前端控制,该器件集成精密 输入功率计量功能和浪涌电流控制。ADP1047设计用于单相PFC 应用,ADP1048则特别针对交错式和无电桥PFC应用而设计。数 字PFC功能基于传统的升压PFC与输出电压反馈的乘法运算,并 结合输入电流和电压来为AC/DC系统提供最佳的谐波校正和功 率因数。所有信号都转换到数字域以提供最大的灵活性,并 且关键参数都可以通过PMBus接口提供报告和调整。
ADP1047/ ADP1048允许用户优化系统性能,最大程度地提高负载范围内 的效率,并缩短设计上市时间。灵活的数控PFC引擎与精确的输 入功率计量功能的完美结合有利于智能电源管理系统的采用, 从而利用其智能决策能力提高终端用户的系统效率。在轻负载 时,该器件支持以编程方式降低频率,并能降低输出电压,从而进一步提高效率。ADP1047/ADP1048提供增强的集成特性和功 能;浪涌电流和软启动控制功能的集成使元件数量显著减少, 并使优化设计更轻松。该器件针对高可靠性、冗余电源应用而 设计,具有广泛、鲁棒的保护电路。它们还具备独立过压保护 (OVP)和过流保护(OCP)、接地连续性监控和交流检测。同时提供 内部过温保护(OTP),外部温度则可以通过外部检测器件记录。
系统工作原理
通过I2C/PMBus接口实现处理器与PFC控制器的通信,I2C数字隔 离器提供域之间的接口,如图5所示。处理器位于SELV电气域 内,PFC控制器参考高压域内的直流总线通用电轨。三相逆变器 的栅极驱动器开关信号通过双通道隔离器,从处理器PWM模块路 由输出。I2C接口的数据和时钟信号以及通用数字信号同样通过数 字隔离器路由。
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图5. 数字信号隔离。PFC控制器管理升压PFC电路的控制和监控。这些任务从主电机控 制软件的流程中分流至低优先级的程序中,如图6所示。PFC控制 器参数在启动期间配置。如果已有该功能,则通常可以通过将 配置参数写入控制器IC的EEPROM存储器而跳过该步骤。如图6所 示,在典型电机控制系统中,速度和电流测量以及PWM控制器更 新将作为高优先级中断处理,而电流测量与PWM信号同步。可设 置PFC控制器以便处理输入侧测量,比如输入交流线路电压和电 流、直流总线电压、输入功率、PFC电路温度。这些测量对于电 机控制算法而言不算关键,不过直流总线电压测量对于无传感器 算法可能比较重要。但这些测量对于整体系统级监控和控制器优 化而言比较重要。它们可以进而由低优先级I2C数据处理任务或中 断例程请求和处理,并且计划速率匹配系统监控时间常数。
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图6. 主电机控制程序结构。图7所示为平台的Micrium ProbeTM用户界面,其中直流总线基准 电压设为250 V。可以清楚看到交流和直流侧的监控变量以及电 机控制。
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图7. 用户界面。结论
由此节省的额外传感器、数字I/O和处理器上的模拟引脚,以 及调节和解释测量变量的软件开销可能意味着处理器成本的下 降,只要选择性能较低的变体,或者释放处理器硬件和软件空 间供其他优先级更高或系统增强型功能使用就可以实现。
本例中,相对于交流线路电压的系统启动序列,直流总线欠压、 过压和交流侧过流保护均通过PFC控制器实现。然而,必须谨慎 地进行整体系统设计,因为主控制处理器应始终由PFC控制器负 责控制或保护,以便在受到副边影响时不会独立执行操作。这种 情况的一个例子便是PFC控制器由于直流总线瞬变过压(比如因为 电机制动事件)而经历了一次全局PWM信号禁用。如果控制器未 能检测到该事件,则它将试图调节PWM输出(不会成功)以保持工 作点。如果PFC控制器在过压瞬变消失后重新使能PWM,则系统 可能会由于PWM占空比的突然大幅增加而出现副边故障。因此, 管理PFC控制器与电机控制处理器之间的保护通信和时序时必须 非常仔细。
总之,若在较低成本的模拟PFC控制器与更为昂贵的数字控制器 之间选择,那么潜在的权衡取舍就应当不仅根据PFC电路自身进 行评估,还应考虑数字控制器更强大的功能所带来的潜在系统级 功能、增强性和成本的下降。本文旨在强调部分关键系统级增强 特性,使用了ADP1047以及单相电机驱动系统作为示例。
参考文献
[1] L. Rossetto, G. Spiazzi, 和 P. Tenti.“Control Techniques for Power Factor Correction Converters (功率因数校正转换器的控制技术)”。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整流器系统的本质)”。电信能源会议(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-power-managem... controllers-power-metering/ADP1047.html
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