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(lái)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(guó)際電工委員會(huì) 61000-3-2 2 （針對(duì)額定電流高達(dá) 16 A 的設(shè)備）通過(guò)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(lái)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(huì)通過(guò) THD，但在特定諧波中會(huì)失敗。
　　在本文中，我將提出一種主動(dòng)補(bǔ)償任何單個(gè)諧波的方法，從而降低該諧波的幅度。隨著每個(gè)諧波的幅度降低，THD 也會(huì)降低。而且，這種方法純粹基于固件，靈活且沒(méi)有額外成本。
　　生成正弦信號(hào)
　　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(hào)，并將該信號(hào)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(lái)說(shuō)，PFC 固件由兩個(gè)主要部分組成：用于低優(yōu)先級(jí)和低速任務(wù)（例如內(nèi)務(wù)管理）的后臺(tái)循環(huán)，以及用于高優(yōu)先級(jí)和時(shí)間關(guān)鍵任務(wù)（例如信號(hào)測(cè)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(cè)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(shí)，CPU都會(huì)讀取測(cè)量值，這是中斷循環(huán)的頻率。比較測(cè)得的交流線路電壓和交流中性線電壓將確定交流過(guò)零。根據(jù)兩個(gè)連續(xù) AC 過(guò)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(gè)連續(xù) AC 過(guò)零中的 ADC 樣本總數(shù)。

　　下一步是創(chuàng)建一個(gè)與正弦波的一個(gè)周期相對(duì)應(yīng)的歸一化正弦表。例如，表 2 顯示了一個(gè)包含 256 個(gè)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(gè)條目的歸一化正弦表。
　　表 2：具有 256 個(gè)條目的歸一化正弦表

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

　　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(zhǎng)分辨率。公式 3 在后臺(tái)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(shí)期望的正弦波的k階值。
　　在每個(gè)中斷服務(wù)程序中重復(fù)此過(guò)程將產(chǎn)生完整的正弦波信號(hào)。
　　現(xiàn)在您知道如何生成任意階的正弦信號(hào)。根據(jù)基頻，生成預(yù)期的高階正弦信號(hào)。例如，如果 PFC 的三次諧波太高并且您想要降低它，請(qǐng)生成三階正弦信號(hào)。如果您需要抑制多于一階的諧波，請(qǐng)生成并組合所有這些階次的正弦信號(hào)。所生成的正弦信號(hào)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(gè)正弦信號(hào)的增益都經(jīng)過(guò)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(dòng)態(tài)調(diào)整，以限度地提高補(bǔ)償效果。這些正弦信號(hào)將作為諧波信號(hào)注入電流環(huán)路。
　　由于交流電壓頻率保持監(jiān)測(cè)，如果交流電壓頻率發(fā)生變化，基波頻率將自動(dòng)更新，從而根據(jù)新的基波頻率生成新的正弦信號(hào)。
　　將正弦信號(hào)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(hào)，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(guò)比較交流線路電壓和交流中性線電壓來(lái)檢測(cè)交流過(guò)零，如上所述。在VAC過(guò)零的瞬間，將準(zhǔn)備好的正弦信號(hào)與VAC同步。
　　同步后，將這些正弦信號(hào)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(gè)交流周期中重復(fù)上述過(guò)程。圖 2 顯示了該過(guò)程。

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

　　我在由 Texas Instruments UCD3138 數(shù)字控制器控制的 360W 單相 PFC 上測(cè)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(hào)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(méi)有諧波注入的諧波比較
　　由于各個(gè)諧波被抑制，THD 也會(huì)降低。圖 4 顯示諧波注入后 THD 顯著降低。

　

　　圖 4：有和沒(méi)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(guò)基于固件的諧波注入方法主動(dòng)抑制 PFC 輸入電流諧波，這有助于電源在無(wú)需額外硬件的情況下通過(guò)諧波和 THD 限制。