输入功率大于75W的AC/DC电源，需要辅以功率因数校正(PFC)，迫使其输入电流跟随输入电压，从而使电子负载看起来像纯电阻器一样。判断PFC性能的最重要标准之一是总谐波失真(THD)，也即一组高次谐波频率的均方根(RMS)幅度与一次谐波(即基频)的RMS幅度之比，如公式1所示：
其中，Vn是n次谐波电压的有效值，V1是基波分量的有效值。
最近，THD要求变得更加严格，尤其是在服务器应用中。根据最近发布的模块化硬件系统通用冗余电源(M-CRPS)基本规范1，THD应满足表1中列出的要求。
表1：M-CRPS THD规格。
此外，国际电工委员会(IEC)61000-3-22(适用于额定电流高达16A的设备)规定了从二次谐波直到40次谐波的谐波电流最大值，以限制市电电压失真。图1中给出了IEC 61000-3-2谐波限值。
图1：IEC 61000-3-2谐波限值。
降低THD和谐波是PFC设计中的一大挑战。尽管可通过回路调整方法使它们有效地减少，但在某些情况下这还不够。在其他情况下，PFC可能会通过THD测试，但在特定谐波下却会失败。
本文提出了一种主动补偿所有单次谐波的方法，从而降低该谐波的幅度。随着各次谐波的幅度降低，THD也会降低。而且，这种方法纯粹基于固件，灵活且没有额外成本。
此方法的基本思想是生成与要补偿的谐波具有相同阶次的正弦信号，并将该信号注入PFC电流控制回路以补偿该谐波。
因此需要首先找到基频，即交流输入电压频率。一般来说，PFC固件由两个主要部分组成：用于低优先级、低速任务(例如内务管理)的后台循环，以及用于高优先级、时间关键任务(例如信号测量和PFC控制)的中断循环。PFC控制器使用模数转换器(ADC)分别测量交流线路电压和交流中性线电压。每当以固定速率fisr(即中断循环的频率)执行中断循环例程时，CPU都会读取测量值。对测得的交流线路电压和交流中性线电压进行比较，即可确定交流过零时刻。根据两次连续交流过零所记录的ADC样本数，按照公式2即可计算出基频(交流频率)：
其中，f1是基频，N是两次连续交流过零期间的ADC样本总数。
下一步是创建一个与正弦波一个周期相对应的归一化正弦表。例如，表2给出了一个包含256个条目的归一化正弦表。正弦表的条目越多，生成的正弦波越平滑。
表2：具有256个条目的归一化正弦表。
每次CPU执行中断循环例程时，它都会读取该表的一个元素。该表的元素可以由CPU连续地逐个读取，也可以在读取一个元素后，跳过几个元素来读取下一个元素。以跳读的方式读表会得到不同的正弦信号频率。例如，要从这个256项正弦表中生成第k阶正弦波，首先要计算步长，该步长指示了CPU下次执行中断循环例程时将读取哪个元素。可按公式3计算步长：
其中f1是基频，k是阶数，256是正弦表中的条目总数。如果使用具有不同条目数的正弦表，则必须将256替换为相应的条目数。结果将左移m位以保持良好的步长分辨率。公式3将以后台循环进行计算。
在中断循环服务程序中，将根据公式4和公式5读取正弦表：
其中，index_pointer指向要读取的正弦表中的元素。右移m位是因为公式3将index_step左移了m位。sine_value是此时期望的正弦波第k阶的值。
在每个中断服务程序中重复此过程，将产生完整的正弦波信号。
现在知道如何生成任意阶的正弦信号了。可以根据基频，生成预期的高阶正弦信号。例如，如果PFC的三次谐波太高而想要降低它，那就生成三阶正弦信号。如果需要抑制多于一阶的谐波，那就生成所有这些阶次的正弦信号并将它们组合起来。所生成的正弦信号的幅度被归一化了，因此需要将其乘以增益以获得适当的幅度。每个正弦信号的增益都经过了良好调整。还要根据负载和输入电压等工作条件对增益进行动态调整，以最大限度地提高补偿效果。这些正弦信号将被作为谐波信号注入电流回路。
由于交流电压频率持续受到监测，如果交流电压频率发生变化，基波频率将会自动更新，从而根据新的基波频率生成新的正弦信号。
现在已准备好相应顺序的正弦信号，在将其注入控制回路之前，需要将其与交流电压同步。为此，如上所述，首先需要通过比较交流线路电压和交流中性点电压来检测交流过零。可以在VAC过零的瞬间，将准备好的正弦信号与VAC同步。
同步后，可以将这些正弦信号注入PFC电流回路——注入电流回路基准或脉宽调制(PWM)占空比。实验表明，注入PWM占空比可得到更好的结果。
然后在每个交流周期中重复上述过程。图2显示了该过程。
图2：谐波注入流程图。
笔者在由德州仪器(TI)UCD3138数字控制器控制的360W单相PFC上测试了此方法。谐波分析仪显示该PFC中的三次和五次谐波很高，因此笔者生成了三阶和五阶正弦信号并将它们注入到电流控制回路。如图3所示，谐波注入显著减少了三次和五次谐波。
图3：有谐波注入和没有谐波注入的谐波比较。
由于各次谐波被抑制，THD也会降低。从图4可以看到，谐波注入后THD显著降低。
图4：有谐波注入和没有谐波注入的THD比较。
凭借数字控制器的灵活性，可以通过基于固件的谐波注入方法主动抑制PFC输入电流谐波，这有助于电源在无需额外硬件的情况下通过谐波和THD限制。
1 “Modular Hardware System – Common Redundant Power Supply (M-CRPS) Base Specification.” Version 1.00, Release Candidate 4. Open Compute Project Foundation Server Design Project: Palo Alto, California, Nov. 1, 2022.2 “Electromagnetic Compatibility (EMC) – Part 3-2: Limits – Limits for Harmonic Current Emissions (Equipment Input Current £16 A Per Phase).” IEC 61000-3-2:2018. International Electrotechnical Commission: Geneva, Switzerland, Jan. 26, 2018.
（原文刊登于EDN姊妹网站Power Electronics News，参考链接：A Harmonic Injection Method to Reduce Harmonics and THD for PFC，由Franklin Zhao编译。）
本文为《电子技术设计》2024年1月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里。
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