深入探討圖騰柱PFC和交錯式PFC系統助力電機驅動(dòng)的應用

電機驅動(dòng)涉及的應用領(lǐng)域眾多，涵蓋了許多產(chǎn)品。從手持電動(dòng)工具到大型家電， 甚至工業(yè)自動(dòng)化的傳輸產(chǎn)線(xiàn)，都缺少不了電機系統。該類(lèi)應用的技術(shù)特性要求電力能量從單相交流供電網(wǎng)絡(luò )向三相電機轉子流動(dòng)。如圖1所示，功率因數校正（PFC）在其中發(fā)揮著(zhù)重要作用。因為PFC連接著(zhù)動(dòng)態(tài)負載（電機）和電網(wǎng)兩個(gè)截然不同的系統，不可避免的需要解決一系列技術(shù)問(wèn)題。一般來(lái)說(shuō)，有兩種技術(shù)路線(xiàn)可以應對這些挑戰，一種是單芯片集成控制；另外一種是離散的雙芯片分立控制，分別滿(mǎn)足PFC和電機逆變器的需求。

在這篇文章中，我們深入探討圖騰柱PFC和交錯式PFC系統，聚焦慧能泰HP1010 和HP1011帶來(lái)的優(yōu)勢，了解HP1010和HP1011的創(chuàng )新技術(shù)如何顯著(zhù)提高電機驅動(dòng)應用的效率和性能。本文重點(diǎn)關(guān)注數字控制器，而不是像FAN9672、NCP1631和UCC28070這樣的模擬芯片，也不是像F28035這樣的DSP芯片方案。因為后者需要投入大量研發(fā)精力在復雜算法編程上來(lái)緩解對資源沖突的控制。

圖 1: 電機驅動(dòng)系統的典型應用

HP1010和HP011是慧能泰最新推出的兩款PFC控制器，封裝尺寸均為4毫米 x 4毫米的QFN-24L。其中HP1010是業(yè)界首款圖騰柱無(wú)橋PFC專(zhuān)用數字控制器；HP1011是慧能泰首顆雙相交錯CCM模式PFC的數字控制器，同時(shí)也是中國首款。

兩款芯片的數字架構基于高速數字狀態(tài)機，并集成了高性能模擬前端以及高速比較器，確保了PFC的高性能實(shí)時(shí)控制。在睡眠模式下，芯片的供電電流將降低至1 mA。豐富完善的可編程保護功能，包括：逐周期電流限制保護、浪涌過(guò)電壓保護、輸入電壓過(guò)壓/欠壓保護、輸出電壓過(guò)壓/欠壓保護、輸出反饋電壓開(kāi)路保護等，保護功能參數與使能均可獨立配置。靈活的設計特點(diǎn)，使其可廣泛應用空調和白色家電、高性能計算機、5G/ 電信電源、工業(yè)電源、超高密度 (UHD) 電源、帶有IGBT的PFC電源等系統。

此外，兩款芯片各自的特點(diǎn)也是十分突出的。HP1010浪涌電壓保護功能可以使在浪涌過(guò)電壓尤其是正半周反向雷擊、負半周正向雷擊時(shí)快速關(guān)斷慢速同步整流管，有效增強圖騰柱無(wú)橋PFC的穩定性和可靠性。HP1011支持自動(dòng)通道管理功能，和雙相間電感電流動(dòng)態(tài)均衡，雙相間電感電流有效值偏差小于5%。

EFFICIENCY

I2C和UART通信保障電機系統能效最優(yōu)

兩款芯片均提供I2C 和UART通信接口，這樣使電機系統效能優(yōu)化更加智能。在電機系統里， 電機轉速會(huì )根據應用場(chǎng)景動(dòng)態(tài)變化。因此前級PFC輸出電壓和后邊電機及時(shí)的匹配，至關(guān)重要，可以進(jìn)一步提高系統效率。假設因電機負載減小，轉速變慢，但是此時(shí)PFC還是保持輸出原有的高電壓，那么注定無(wú)用功增加，效率降低。更還有可能對轉子機械結構造成損壞。相反，如果及時(shí)的將輸出電壓調整下來(lái)，這樣無(wú)用功就可以避免。

類(lèi)似的情況同樣適用于電機故障事件，PFC控制應該及時(shí)和電機端聯(lián)動(dòng)配合。實(shí)現智能聯(lián)動(dòng)，電機控制芯片可以動(dòng)態(tài)配置HP101x的三個(gè)寄存器。通過(guò)地址0x00[2]可以選擇是否使能PFC功能。地址0x23 和0x24分別為低壓和高壓輸入時(shí)輸出電壓的參考。HP101x 高精度的模擬前端支持在0V到560V范圍內以0.27V微小步進(jìn)調整。此外，根據電機系統設計的具體要求，眾多的PFC的運行參數可以通過(guò)通信接口反饋到后級控制芯片。例如保護狀態(tài)，輸出電流，輸入電壓頻率，系統狀態(tài)等等， 都可以被后級控制芯片讀取，從而實(shí)現深度系統智能優(yōu)化。更多的細節可以通過(guò)HP101x GUI 用戶(hù)手冊獲取(慧能泰半導體官網(wǎng)-數字能源/HyCtrl (hynetek.com))。

QUICKLY

快速應對電機系統里瞬態(tài)事件

智能聯(lián)動(dòng)固然好，但是如果在通信指令到來(lái)之前，系統對突發(fā)事件的處理，更是系統可靠穩定運行的保證。電機應用的固有特性是：非線(xiàn)性和感性負載。相應地，系統功耗也會(huì )隨負載和電機的旋轉速度而變化。這種非線(xiàn)性本身就會(huì )使PFC的設計難度增加。然后更具有挑戰的是，PFC控制需要同時(shí)滿(mǎn)足在寬負載范圍內，保持高功率因數品質(zhì)。

一般來(lái)說(shuō)，PFC控制算法包括快速電流環(huán)和慢速電壓環(huán)兩個(gè)環(huán)路。為追求單位功率因數，設計上電壓環(huán)的帶寬專(zhuān)門(mén)做窄帶處理，一般為幾十赫茲，從而與更高頻率的整流電流環(huán)路分離，避免干擾。恰恰因為這個(gè)狹窄的電壓環(huán)帶寬，PFC處理快速負載變化的能力受到不利影響。對負載變化的錯誤或者不及時(shí)的處理可能會(huì )進(jìn)一步對放置在逆變器前面的電容造成過(guò)壓沖擊，從而影響系統的可靠性。此外，母線(xiàn)電壓的波動(dòng)還可能來(lái)自交流側。AC線(xiàn)上的任何干擾，如電壓丟失或雷擊，都有可能對上述同一電容器造成損害。

圖 3：100 Vac, 400V, 1.5A To 1.9A, 鎖住 (右), 恢復 (左)

圖 4: 100 Vac, 90° 掉電, 5ms (左) / 10ms(右)

HP1010和HP1011都展示了卓越的動(dòng)態(tài)響應性能。以下分別從交流輸入測，和負載端兩方面來(lái)展現其強大的瞬態(tài)性能。

為了抵御來(lái)自交流側的突然情況，HP1010和HP1011提供了逐周期電流保護配合其專(zhuān)利控制算法，以確?？焖?，可靠的響應。圖3展示了電感電流迅速升至重載時(shí)，PWM（脈沖寬度調制）立即關(guān)閉，然后根據預先設置的閾值、周期時(shí)間和防抖時(shí)間進(jìn)行有序恢復。并且這三個(gè)參數是可以根據設計需求，通過(guò)寄存器靈活配置的。

另一方面，HP1010和HP1011在負載瞬態(tài)性能方面的卓越表現也可以從圖4中得到肯定，測量證實(shí)輸入電壓在90°時(shí)丟失，無(wú)論是丟失5毫秒還是10毫秒，都能實(shí)現平穩快速的過(guò)渡。一旦發(fā)生下降，電流在幾個(gè)周期內就可以智能地恢復到正常狀態(tài)。

快速環(huán)路模式是HP1010和HP1011的又一個(gè)特色，旨在對負載變化作出快速響應。從圖5中可以看出，在保持輸出電壓為400伏特的情況下，使用快速環(huán)路功能和不使用的差異在10%以上。并且通過(guò)簡(jiǎn)單的寄存器設置，可以定制參考電壓和響應時(shí)間，從而為設計提供更大的靈活性。

圖 5: 100 Vac, 60 Hz, 空載-重載, Vout 334V ( 快環(huán)開(kāi)啟, 左), Vout 290V ( 快環(huán)關(guān)閉, 右)

IMPROVE

提升整個(gè)系統的EMI性能

電機和PFC控制分別在兩個(gè)不同的時(shí)鐘頻率上運行，電機為萬(wàn)赫茲而PFC卻在十萬(wàn)赫茲。這兩個(gè)節拍以不同的節奏激發(fā)整個(gè)系統板，因此導致了系統的電磁干擾（EMI）和電流的總諧波失真（THDi）環(huán)境惡化。

頻率抖動(dòng)是解決這個(gè)問(wèn)題的一個(gè)有效功能。HP1010和HP1011提供簡(jiǎn)潔方便的定制抖頻。通過(guò)相關(guān)寄存器設計，HP1010和HP1011可以在給定周期數范圍內改變開(kāi)關(guān)頻率。并且這個(gè)功能有八個(gè)可用的步進(jìn)來(lái)滿(mǎn)足不同的設計要求。

從圖6明顯可見(jiàn)，啟用抖頻功能后，EMI性能在整個(gè)頻譜上都有所改善。

圖 6: EMI抖頻關(guān)（上）開(kāi)（下）

以上就電機應用的特點(diǎn)，從智能聯(lián)動(dòng)，瞬態(tài)響應，EMI, 三方面來(lái)介紹HP101x是如何提升電機系統的整體性能。其實(shí)，HP1010和HP1011還提供了一系列更為先進(jìn)的功能，以確保設計過(guò)程更加靈活和適用系統更可靠。例如，豐富的保護功能、X-電容放電、功率計量、浪涌電流保護等等。




審核編輯：劉清