在之前的文章中介紹了滯環(huán)電流模式控制的DCDC的實(shí)現(xiàn)和仿真建模過(guò)程：《國(guó)產(chǎn)滯環(huán)電流控制的無(wú)橋圖騰柱PFC介紹 第一部分》，而本文將介紹由滯環(huán)電流模式控制的PFC實(shí)現(xiàn)和仿真建模過(guò)程。就PFC的控制目的來(lái)說(shuō)，都是控制流入電感的電流呈正弦并跟隨輸入電網(wǎng)的電壓。從實(shí)現(xiàn)的手段來(lái)看，CCM的平均電流模式，是依靠電壓電流雙閉環(huán)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)，可見(jiàn)圖一所示。電流內(nèi)環(huán)控制電感的平均電流，然后電壓環(huán)的輸出乘以電網(wǎng)電壓來(lái)產(chǎn)生電流內(nèi)環(huán)的跟蹤指令。關(guān)于平均電流模式PFC的更多文章請(qǐng)看：

1，《平均電流模式控制的CCM PFC Part1》

2，《平均電流模式控制的CCM PFC Part2》

3，《降低單相PFC的ithd的幾個(gè)點(diǎn)子》。

（圖一 平均電流模式PFC的控制）

下圖是使用平均電流模式控制的PFC輸入電壓和電流波形：

（圖二 平均電流模式的輸入電壓和電感電流）

而CRM PFC的控制實(shí)現(xiàn)，則是讓電感電流的峰值呈正弦的包絡(luò)線(xiàn)，利用三角波的平均值和峰值的關(guān)系來(lái)實(shí)現(xiàn)輸入電流呈正弦。然后檢測(cè)電感電流過(guò)零電流信號(hào)（ZCD），利用這個(gè)標(biāo)志位刷新開(kāi)關(guān)周期。從控制模型來(lái)看，一樣是把電壓環(huán)的輸出乘以電網(wǎng)電壓得到電感電流的電流峰值設(shè)定，其控制模型可見(jiàn)圖三所示，下圖是CRM經(jīng)典控制IC，ST的L6562的控制原理圖。

（圖三 CRMPFC的控制實(shí)現(xiàn)）

關(guān)于CRM PFC的更多文章請(qǐng)看：

1，《ON TIME 控制的CRM PFC 建模與仿真》

下圖是使用CRM控制的PFC輸入電壓和電流波形：

（圖四CRM PFC的輸入電壓和電感電流）

從兩種典型的PFC控制方式來(lái)看，不難發(fā)現(xiàn)如果把滯環(huán)電流控制的低端比較值設(shè)置到零，然后依靠閉環(huán)控制器去設(shè)置滯環(huán)比較器的低端比較值~高端比較值的大小，讓這個(gè)變化量呈現(xiàn)正弦變化，就可以讓電感電流從零開(kāi)始增大到峰值，且峰值的包絡(luò)線(xiàn)跟上了正弦波形，這樣實(shí)現(xiàn)了CRM PFC的功能?？梢?jiàn)圖五所示，具體的展示了CRM PFC的滯環(huán)控制實(shí)現(xiàn)。

（圖五 滯環(huán)電流CRM的PFC控制原理）

再來(lái)看滯環(huán)電流控制的CCM的實(shí)現(xiàn)，同理只需要讓滯環(huán)比較器的低端比較值~高端比較值同時(shí)跟隨正弦變化，就能實(shí)時(shí)的限制住流入電感電流，也就實(shí)現(xiàn)PFC的功能，可見(jiàn)下圖所示。

（圖六 滯環(huán)電流CCM的PFC控制原理） 

  在上文中介紹的滯環(huán)電流模式是可以實(shí)現(xiàn)CCM和CRM的PFC，下面我們來(lái)聊一聊具體的控制問(wèn)題，我們先來(lái)看看數(shù)字控制平均電流模式所需要的幾個(gè)關(guān)鍵組件：

• 電壓環(huán)：用于控制輸出電壓穩(wěn)定，低實(shí)時(shí)性。
• 電流環(huán)：用于控制電感電流平均值，高實(shí)時(shí)性，通常每個(gè)開(kāi)關(guān)周期控制一次。
• 軟件鎖相環(huán)：用于跟隨電網(wǎng)電壓和相位，區(qū)分出圖騰柱無(wú)橋的PWM時(shí)序。
• 高速高精度ADC：用于采樣電感平均電流。
• 模擬比較器：用于限制開(kāi)關(guān)周期電流，快速過(guò)流保護(hù)。
• 高精度PWM：產(chǎn)生高分辨率PWM控制開(kāi)關(guān)管。

  從這幾個(gè)必備的組件來(lái)看，要實(shí)現(xiàn)一個(gè)平均電流模式無(wú)橋圖騰柱PFC的控制對(duì)控制器的要求還是挺高的。所以目前行業(yè)中一般也是使用TI的C2000系列DSP比較多，因?yàn)榭刂扑惴ㄖ胁粌H有高實(shí)時(shí)性的閉環(huán)控制器在運(yùn)行，還要實(shí)時(shí)運(yùn)行鎖相環(huán)和AC功率分析這些需要較多的三角函數(shù)和復(fù)雜數(shù)學(xué)計(jì)算的功能，另外為ADC的采樣進(jìn)IIR數(shù)字濾波也需要較多的計(jì)算量。算力一般的MCU，較難勝任PFC的控制。作為對(duì)比，我們來(lái)看看華大HSA8000無(wú)橋圖騰柱PFC控制器的特性：

• 使用滯環(huán)電流模式控制：無(wú)需電流內(nèi)環(huán)，所以提升了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。
• ADC的精度和轉(zhuǎn)換速度要求低 ：無(wú)需電流內(nèi)環(huán)，所以無(wú)需采樣電感電流。僅對(duì)輸出電壓需要進(jìn)行采樣，但是400V的PFC電壓通常不會(huì)需要很高的精度。
• 對(duì)電感量的偏移要求低：無(wú)電流內(nèi)環(huán)，因?yàn)榛陔姼须娏鞯募y波進(jìn)行控制，所以電感量的參數(shù)偏移對(duì)控制影響不大。
• 環(huán)路濾波算法簡(jiǎn)單：無(wú)需計(jì)算精確的電感平均電流。
• EMI性能更好：滯環(huán)控制的自然變頻。
• PWM分辨率要求低：PWM是由檢測(cè)電感電流的狀態(tài)機(jī)進(jìn)行處理。
• 過(guò)流保護(hù)能力強(qiáng)：實(shí)時(shí)cycle by cycle比較器limits。
• 硬件鎖相環(huán)：硬件鎖相環(huán)鎖定電網(wǎng)頻率和相位，對(duì)CPU要求大幅度降低，釋放了很多計(jì)算資源。

所以華大半導(dǎo)體這個(gè)無(wú)橋圖騰柱PFC控制器，巧妙的應(yīng)用滯環(huán)電流控制方法和片上模擬比較器，硬件鎖相環(huán)等外設(shè)，實(shí)現(xiàn)PFC功能的同時(shí)降低了對(duì)CPU的計(jì)算性能要求，同時(shí)也降低了系統(tǒng)成本。 

在之前的文章中我提到過(guò)這個(gè)控制器可以在正弦周期內(nèi)自動(dòng)的切換CRM和CCM，比如設(shè)置切換點(diǎn)為200V（PFC輸出電壓400V），那么當(dāng)輸入電壓低于200V就能實(shí)現(xiàn)ZVS。當(dāng)輸入正弦電壓繼續(xù)升高，那么就自然過(guò)渡到CCM模式。這樣可以在高壓輕負(fù)載時(shí)優(yōu)化系統(tǒng)效率，讓大部分工況都落在CRM模式。當(dāng)負(fù)載上升后就過(guò)渡到CCM，這樣解決了全程CRM模式在滿(mǎn)負(fù)載工作時(shí)電感紋波電流大，輸入差模電流大，輸出電容紋波電流大的不利影響了，可以說(shuō)是把CRM和CCM的優(yōu)點(diǎn)合二為一，這確實(shí)是一種創(chuàng)新。特別是在多臺(tái)機(jī)器并聯(lián)工作的系統(tǒng)中，可以把50%負(fù)載放在CRM模式，這樣在并聯(lián)工作時(shí)就能優(yōu)化效率。

下圖展示了控制器實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能的方法，可以看到在正弦波低于0.5*Vpfc處，控制器把滯環(huán)電流比較器的低端比較點(diǎn)設(shè)置為零了，然后通過(guò)調(diào)節(jié)低端到高端的比較值來(lái)限制電感電流。隨著電網(wǎng)電壓高于0.5*Vpfc就把低端比較點(diǎn)提升，讓電感電流進(jìn)入連續(xù)模式。

(圖七 CRM和CCM的過(guò)渡點(diǎn))

在正弦周期內(nèi)插入了部分工作區(qū)域的ZVS范圍，自然對(duì)效率有提升。但是如果把這個(gè)功能在擴(kuò)展一下，把低端比較器的值直接設(shè)置為負(fù)向值。讓電流反向流過(guò)電感為高頻開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)ZVS后再開(kāi)啟開(kāi)關(guān)管，這樣就實(shí)現(xiàn)了TCM模式，TCM模式實(shí)現(xiàn)ZVS的原理可見(jiàn)下圖所示。

（圖八 TCM模式實(shí)現(xiàn)ZVS的原理）

我覺(jué)得原廠應(yīng)該對(duì)這種控制方法進(jìn)行深挖，如果能讓PFC全程工作在TCM模式，這樣使用普通硅管也能把PFC的效率做到非常的高。我想這一點(diǎn)對(duì)用戶(hù)是存在非常大的吸引力的，因?yàn)檫@個(gè)控制器是數(shù)字內(nèi)核，所以里面的控制代碼是可以修改的，所以實(shí)現(xiàn)這一種控制方法應(yīng)該是可行的。

在前幾個(gè)月我花了較多的時(shí)間在研究TCM的PFC在DSP里面的實(shí)現(xiàn)方法，能想到最簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)是依靠預(yù)測(cè)控制加電感ZCD檢測(cè)，環(huán)路根據(jù)負(fù)載功率計(jì)算周期時(shí)間長(zhǎng)度，然后等抓到電感ZCD后，在根據(jù)輸入/輸出電壓和COSS電荷來(lái)實(shí)時(shí)計(jì)算延遲關(guān)閉放電開(kāi)關(guān)的時(shí)間長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)負(fù)向電流可控，最終實(shí)現(xiàn)TCM控制效果：（關(guān)于TCM控制的更多文章：《單相TCM PFC的原理、控制、仿真以及實(shí)現(xiàn) Part1》）

(圖九TCM控制在TI DSP中的實(shí)現(xiàn)方法)

由電流內(nèi)環(huán)控制TON的長(zhǎng)度，在計(jì)算實(shí)現(xiàn)ZVS所需的負(fù)向電流的擴(kuò)展時(shí)間tsr_ext，然后把tsr_ext寫(xiě)入CPA，把tsr_ext+TON寫(xiě)入CPB。當(dāng)TON結(jié)束后，高端開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)依靠死區(qū)時(shí)間模塊互補(bǔ)產(chǎn)生。高端驅(qū)動(dòng)TOFF開(kāi)通后電感電流下降，依靠DSP里面的CMPSS里面抓電感電流的ZCD標(biāo)志，然后靠ZCD標(biāo)志重置TBPRD計(jì)數(shù)器，并重載周期。當(dāng)PWM周期計(jì)數(shù)器的值大于CPA就開(kāi)啟低端驅(qū)動(dòng)TON，同時(shí)關(guān)閉TOFF。為了實(shí)現(xiàn)TCM控制，邏輯上還是比較的復(fù)雜。

(圖十TCM控制的負(fù)向電流算法)

如果使用華大半導(dǎo)體的HSA8000控制器就能很容易的實(shí)現(xiàn)TCM，在上文中已經(jīng)反復(fù)提及了：只需把滯環(huán)電流低端比較值設(shè)為負(fù)值，再跟隨電網(wǎng)電壓來(lái)改變高端比較器的值即可。它是通過(guò)限制負(fù)向電流來(lái)的峰值大小實(shí)現(xiàn)ZVS控制，從實(shí)現(xiàn)的方法來(lái)看華大這個(gè)IC實(shí)現(xiàn)無(wú)橋圖騰柱TCM PFC要更容易一些。加上有硬件鎖相環(huán)的支持，用起來(lái)就非常省心和方便了，這也難怪它的周邊所需的物料很少。

前面介紹了PFC控制所需要的組件，下面來(lái)介紹由滯環(huán)電流模式控制的PFC的控制原理。首先是滯環(huán)電流控制的CRM PFC框圖，可見(jiàn)下圖所示，這種實(shí)現(xiàn)極其簡(jiǎn)潔。沒(méi)有了電流內(nèi)環(huán)，電壓環(huán)的輸出經(jīng)過(guò)電網(wǎng)波形前饋后直接作用到電感電流，然后由PWM狀態(tài)機(jī)根據(jù)鎖相環(huán)得到的電網(wǎng)相位輸出對(duì)應(yīng)的PWM。值得注意的是我增加了電網(wǎng)有效值前饋，這樣對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)是有好處。

（圖十一 滯環(huán)電流模式控制的CRM PFC）

根據(jù)控制原理搭建閉環(huán)仿真模型，可見(jiàn)下圖所示：

（圖十二 滯環(huán)電流模式控制的 PFC功率框架）

控制邏輯部分：

模型運(yùn)行：

（圖十四 滯環(huán)電流模式控制的CRM PFC仿真模型）

下圖是滯環(huán)控制的CCM PFC的控制原理，這種實(shí)現(xiàn)極其簡(jiǎn)潔。沒(méi)有了電流內(nèi)環(huán)，電壓環(huán)的輸出經(jīng)過(guò)電網(wǎng)波形前饋后直接作用到電感電流，然后PWM狀態(tài)機(jī)根據(jù)鎖相環(huán)得到的電網(wǎng)相位輸出PWM。與CRM不同是輸出了電感電流的峰值和谷值用來(lái)做控制。

（圖十五 滯環(huán)電流模式控制的CCM PFC控制原理）

控制部分仿真模型：

（圖十六 滯環(huán)電流模式控制的CCM控制）

運(yùn)行：

（圖十七 滯環(huán)電流模式控制的CCM控制）

小結(jié)：

本文簡(jiǎn)單的介紹了滯環(huán)電流模式控制的CRM和CCM PFC的實(shí)現(xiàn)原理和仿真建模過(guò)程。也介紹了華大半導(dǎo)體的HSA8000無(wú)橋圖騰柱PFC控制器的優(yōu)點(diǎn)和功能實(shí)現(xiàn)的原理，希望大家在應(yīng)用此類(lèi)控制器的時(shí)候能得心應(yīng)手，手到擒來(lái)。必須要說(shuō)的是本人能力有限，如果上文中有錯(cuò)誤的地方還請(qǐng)多多包涵，希望能把錯(cuò)誤之處告訴我，共同進(jìn)步，謝謝。