輸入功率大于 75 W 的 AC/DC 電源需要功率因數(shù)校正 (PFC)，以強(qiáng)制輸入電流跟隨輸入電壓，使電子負(fù)載看起來像純電阻器。判斷 PFC 性能的重要標(biāo)準(zhǔn)之一是總諧波失真 (THD)，它是一組高次諧波頻率的均方根 (RMS) 幅度與諧波的 RMS 幅度之比，或者基頻，如公式 1 所示：

　　減少 PFC 諧波和 THD 的諧波注入方法 - 公式 1
　　其中V n是n次諧波電壓的RMS值， V 1是基波分量的RMS值。

　　近，THD 要求變得更加嚴(yán)格，尤其是在服務(wù)器應(yīng)用中。在近發(fā)布的模塊化硬件系統(tǒng)-通用冗余電源（M-CRPS）基本規(guī)范1中，THD應(yīng)滿足表1中列出的要求。

　　減少 PFC 諧波和 THD 的諧波注入方法 - 表 1：M-CRPS THD 規(guī)范。
　　表 1：M-CRPS THD 規(guī)格
　　此外，國際電工委員會 61000-3-2 2 （針對額定電流高達(dá) 16 A 的設(shè)備）通過規(guī)定從二次諧波到并包括 40次諧波電流的諧波電流值來限制電源電壓失真。。圖 1 顯示了 IEC 61000-3-2 諧波限值。

　　

　　減少 PFC 諧波和 THD 的諧波注入方法 - 圖 1：IEC 61000-3-2 諧波限制。
　　圖 1：IEC 61000-3-2 諧波限值
　　降低 THD 和諧波是 PFC 設(shè)計(jì)中的一大挑戰(zhàn)。盡管環(huán)路調(diào)整是減少它們的有效方法，但在某些情況下這還不夠；在其他情況下，PFC 可能會通過 THD，但在特定諧波中會失敗。
　　在本文中，我將提出一種主動補(bǔ)償任何單個諧波的方法，從而降低該諧波的幅度。隨著每個諧波的幅度降低，THD 也會降低。而且，這種方法純粹基于固件，靈活且沒有額外成本。
　　生成正弦信號
　　此方法的基本思想是生成與要補(bǔ)償?shù)闹C波具有相同階次的正弦信號，并將該信號注入 PFC 電流控制環(huán)路以補(bǔ)償該諧波。

　　為此，您需要首先找到基頻，即交流輸入電壓頻率。一般來說，PFC 固件由兩個主要部分組成：用于低優(yōu)先級和低速任務(wù)（例如內(nèi)務(wù)管理）的后臺循環(huán)，以及用于高優(yōu)先級和時間關(guān)鍵任務(wù)（例如信號測量和 PFC 控制）的中斷循環(huán)。PFC控制器使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）分別測量交流線路電壓和交流中性線電壓；每當(dāng)以固定速率 f isr執(zhí)行中斷循環(huán)例程時，CPU都會讀取測量值，這是中斷循環(huán)的頻率。比較測得的交流線路電壓和交流中性線電壓將確定交流過零。根據(jù)兩個連續(xù) AC 過零記錄的 ADC 樣本數(shù)，公式 2 將基頻（AC 頻率）計(jì)算為：

　　一種降低PFC諧波和THD的諧波注入方法
　　其中f 1是基頻，N是兩個連續(xù) AC 過零中的 ADC 樣本總數(shù)。

　　下一步是創(chuàng)建一個與正弦波的一個周期相對應(yīng)的歸一化正弦表。例如，表 2 顯示了一個包含 256 個條目的歸一化正弦表。正弦表的條目越多，生成的正弦波越平滑。

　　表 2：具有 256 個條目的歸一化正弦表。
　　表 2：具有 256 個條目的歸一化正弦表

　　每次CPU執(zhí)行中斷循環(huán)例程時，它都會讀取該表的一個元素。該表的元素可以由CPU連續(xù)地逐個讀取，或者在讀取一個元素后，跳過幾個元素來讀取下一個元素。以跳讀的方式讀表將得到不同的正弦信號頻率。例如，要從這個256項(xiàng)正弦表中生成第k階正弦波，首先計(jì)算步長，該步長指示CPU下次執(zhí)行中斷循環(huán)例程時將由CPU讀取哪個元素。公式 3 計(jì)算步長：

　　一種降低PFC諧波和THD的諧波注入方法
　　其中f 1是基頻，k是階數(shù)，256 是正弦表中的條目總數(shù)。如果您使用具有不同條目數(shù)的正弦表，則必須將 256 替換為相應(yīng)的條目數(shù)。結(jié)果左移m以保持良好的步長分辨率。公式 3 在后臺循環(huán)中計(jì)算。

　　在中斷循環(huán)服務(wù)程序中，根據(jù)公式 4 和 5 讀取正弦表：

　

　　一種降低PFC諧波和THD的諧波注入方法
　　其中index_pointer指向您要讀取的正弦表中的元素。右移m是因?yàn)楣?將index_step左移m 。sine_value是此時期望的正弦波的k階值。
　　在每個中斷服務(wù)程序中重復(fù)此過程將產(chǎn)生完整的正弦波信號。
　　現(xiàn)在您知道如何生成任意階的正弦信號。根據(jù)基頻，生成預(yù)期的高階正弦信號。例如，如果 PFC 的三次諧波太高并且您想要降低它，請生成三階正弦信號。如果您需要抑制多于一階的諧波，請生成并組合所有這些階次的正弦信號。所生成的正弦信號的幅度被歸一化；您需要將其乘以增益以獲得適當(dāng)?shù)姆?。每個正弦信號的增益都經(jīng)過良好調(diào)整。增益還將根據(jù)負(fù)載和輸入電壓等工作條件進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，以限度地提高補(bǔ)償效果。這些正弦信號將作為諧波信號注入電流環(huán)路。
　　由于交流電壓頻率保持監(jiān)測，如果交流電壓頻率發(fā)生變化，基波頻率將自動更新，從而根據(jù)新的基波頻率生成新的正弦信號。
　　將正弦信號注入電流環(huán)路
　　現(xiàn)在您已準(zhǔn)備好相應(yīng)順序的正弦信號，在將其注入控制環(huán)路之前，您需要將其與交流電壓同步。為此，您首先需要通過比較交流線路電壓和交流中性線電壓來檢測交流過零，如上所述。在VAC過零的瞬間，將準(zhǔn)備好的正弦信號與VAC同步。
　　同步后，將這些正弦信號注入 PFC 電流環(huán)路，注入電流環(huán)路基準(zhǔn)或脈寬調(diào)制 (PWM) 占空比。實(shí)驗(yàn)表明，注入 PWM 占空比可以得到更好的結(jié)果。

　　在每個交流周期中重復(fù)上述過程。圖 2 顯示了該過程。

　　圖 2：諧波注入流程圖。
　　圖2：諧波注入流程圖
　　檢測結(jié)果

　　我在由 Texas Instruments UCD3138 數(shù)字控制器控制的 360W 單相 PFC 上測試了此方法。諧波分析儀顯示該 PFC 中的三次和五次諧波很高；因此，我生成三階和五階正弦信號并將它們注入電流控制環(huán)路。如圖 3 所示，諧波注入顯著減少了三次和五次諧波。

　　圖 3：有和沒有諧波注入的諧波比較
　　由于各個諧波被抑制，THD 也會降低。圖 4 顯示諧波注入后 THD 顯著降低。

　

　　圖 4：有和沒有諧波注入的 THD 比較
　　結(jié)論
　　憑借數(shù)字控制器的靈活性，可以通過基于固件的諧波注入方法主動抑制 PFC 輸入電流諧波，這有助于電源在無需額外硬件的情況下通過諧波和 THD 限制。