如何对有源功率因数校正的数字控制算法进行仿真

主要收获

• 当将整流器、检测电路和采样控制器建模为一个整体系统，而非分别进行调谐时，有源功率因数校正的效果最佳。
• 电流环路和电压环路需要不同的带宽优先级，且在硬件投入使用之前，必须在线路和负载的极端条件下对两者进行验证。
• 功率因数只是其中一个指标，因此硬件测试前必须包括延迟、纹波、饱和、量化和启动行为等测试项目。

精确的数字PFC仿真可以在电路板尚未制作出来之前，节省重新设计的时间并避免效率损失。

有源功率因数校正通过调整整流器输入电流，使其与线电压保持同步，从而将谐波含量控制在较低水平。难点并不在于升压级本身，而在于该级与采样控制器之间的相互作用——该控制器存在检测延迟、占空比限制以及直流母线上的纹波等问题。2022年，数据中心耗电量约为240太瓦时，这说明了为何在开关模式电源中，前端反复出现的损耗如此重要。

如果从一开始就将受控对象和数字控制环路建模为一个系统，您将获得更好的控制效果。通过这个单一模型，您可以根据实际变流器的行为调整增益，在开始布局工作之前检查采样效应，并发现纸面设计中可能隐藏的薄弱假设。良好的仿真并非最终检查，而是有源功率因数校正控制获得稳定性的关键所在。

有源功率因数校正可使输入电流呈正弦波

有源功率因数校正使整流器所汲取的电流与市电电压波形相匹配。一个优秀的控制器能使电流保持近似正弦波形，与市电相位密切同步，并在负载和市电波动时保持稳定。当数字控制的采样和更新时序建模正确时，可改善功率因数。仅采用连续设计将无法捕捉到这些采样效应。

假设一个230 V交流、1 kW的电源，且未采用有源波形整形。桥式整流器和主电容会在电压峰值附近产生窄幅电流峰值，这会提高有效值电流，并对输入元件造成负担。升压式PFC级可以改变这种行为，因为控制器会在每个开关周期内设定电感电流。这样一来，你就不再依赖被动充电脉冲，而是能够主动控制电流波形。

在仿真过程中，这一区别至关重要，因为仅凭电流参考值本身是不够的。ADC量程、PWM更新时序、电流传感器滤波以及总线纹波都会导致最终波形发生偏移。一个能够再现这些因素的模型，将向您展示数字控制如何改善功率因数，以及在哪些情况下它可能会对其产生负面影响。这就是关于开关模式电源中主动式功率因数校正是什么的实际答案。

Boost PFC 适用于大多数开关模式电源的前端

升压式PFC整流器适用于大多数离线式开关电源，因为它能保持输入电流连续，并将直流母线电压维持在线路峰值之上。这使得其控制比许多其他功率因数校正方法更为简单。它还很好地满足了常见的通用输入要求。大多数数字PFC设计工作都从这里开始，这自有其道理。

一个典型的例子是：90 至 264 V 交流电源需要输出 390 V 至 400 V 的稳压母线电压。升压级包含一个电感、一个开关、一个二极管或同步路径，以及一个具有内电流环和外电压环的清晰控制结构。此外还存在其他功率因数校正技术，包括无源滤波器和无桥式变体，但这些技术会在体积、导通路径或控制复杂度方面带来取舍。

许多前端通用的谐波标准涵盖了每相输入电流最高达16 A 的设备，这使得一大类商用电源都处于相同的合规框架之下。正因如此，当被问及哪种功率因数校正方法适用于开关模式电源时，升压式功率因数校正仍是默认答案。其局限性众所周知，且其控制问题结构清晰，足以在硬件实现前进行深入仿真。

一次仿真应包含工厂控制固件的时序

一个有用的PFC仿真应将功率级、传感链、PWM时序和控制代码时序整合到一个模型中。这是在硬件实现之前对PFC控制环路建模的最佳方式。如果分别对被控对象和控制器进行研究，会掩盖两者之间的相互作用，这些相互作用随后可能会表现为功率因数较差或增益选择不稳定。采用单一模型可以确保时序的准确性。

一个实际的模型包括交流电源、桥式整流器、升压电感、开关、输出电容、负载、电流检测增益、分压器、ADC采样时刻、控制中断频率以及PWM占空比更新。一个在连续传递函数中看似稳定的控制器，一旦插入这些时序模块，就可能失去相位裕度。这正是许多纸面设计与硬件实现产生偏差的原因。缺失的细节通常并不复杂，往往只是一个无人建模的单周期延迟。

SPS SOFTWARE 非常适合这种工作流程，因为您可以将整流级和数字环路置于同一个基于物理的模型中，并检查每个模块的工作情况。当您将固定频率的 CCM 控制与轻载工况进行比较时，这一点尤为重要——在轻载工况下，传感噪声和占空比分辨率开始影响结果。增益选择从而成为一项建模任务，而非电路板返工任务。

“如果分别对被控对象和控制器进行研究，就会掩盖其中的相互作用，而这些相互作用日后可能会表现为功率因数较差或增益选择不稳定。”

离散模型必须能够反映采样延迟的影响

只有在明确考虑采样延迟、计算延迟和PWM更新延迟的情况下，数字PFC环路才能进行准确的仿真。这些延迟都会引入相位滞后。这种滞后会压缩电流环带宽，并改变瞬态响应。仅缺少一项延迟项，就足以让一个临界状态的环路在屏幕上看起来运行正常。

假设有一个控制器，它在开关周期中段附近采样电感电流，并在下一个周期应用新的占空比指令。这一过程在尚未考虑量化误差之前，就已经引入了延迟。如果在电流信号上添加一个小型输入滤波器，产生的滞后将超过补偿器所调谐的范围。结果大家都很熟悉：电流在零交叉点附近出现畸变、负载阶跃时产生过冲，或者磁性部件中产生可听见的应力声。

你还应考虑零阶保持特性及传感器量程极限。这样你获得的信息将与固件实际感知到的信息一致，而非任何模数转换器（ADC）都无法读取的理想化波形。一旦这些要素都考虑在内，调整数字PFC控制环路的最佳方法就会变得清晰许多。你需要针对一个带有时延的离散系统进行调谐，而非一个虚构的模拟系统。

电流环调谐可确保在开关范围内保持稳定性

内部电流环路决定了在线电压和负载变化时，输入电流跟踪其参考值的精度。稳定的调谐需要带宽既要足够快以塑造电流，又要足够慢以容忍数字延迟和开关纹波。良好的调谐应在整个工作范围内进行测量，而非仅在某个标称点。这正是许多数字环路在不知不觉中表现欠佳之处。

一个常见的起点是将分频点设置在远低于采样频率的位置，然后在低线电压、高线电压、轻载和满载条件下进行验证。一个仅在230 V交流电和额定负载下调谐的环路，在这些条件下可能看起来很干净，但在90 V交流电下仍会产生严重的振铃。升压系统的增益会随工作点变化，占空比饱和的影响也是如此。当线电压较低且功率较高时，电流指令的余量也会缩小。

在调整硬件之前，先全面扫描工作条件，这样能获得更好的结果。在同一幅图上观察相位裕度、电流跟踪误差和过零点行为。能够通过这些情况考验的环路，通常在实验台上也能表现良好。如果一个环路仅在某个工作点上表现良好，说明它尚未调试到位。

电压环路调谐必须抑制电源线纹波失真

外电压环路用于设定直流母线调节，其响应速度必须足够慢，以避免将两倍线频率的纹波传入电流基准。如果该环路对该纹波的反应过于强烈，电流环路将导致市电电流失真。良好的电压环路调谐能保持系统稳定，从而保护功率因数。如果环路带宽选择不当，稳定的母线控制的重要性将不如干净的电流。

设想一个由50 Hz市电供电的400 V直流母线。整流后，母线纹波的频率为100 Hz；如果外环的交叉频率设置过高，外环将追踪该纹波。这种追踪会表现为调制后的电流参考值，进而导致输入电流波形发生畸变。在慢速波形图上，母线稳压性能可能看起来仍很理想，但实际上电能质量却在恶化。因此，需要同时打开这两个视图。

该检查点视图比单个波特图更有用。你需要关注的是系统各部分之间的相互作用，而不是孤立的增益。只有当外环调谐既能保持电流质量，又能将总线电压维持在目标范围内时，才算调谐成功。

仅凭功率因数可能掩盖控制回路中的问题

功率因数固然重要，但并不能完全反映电路的品质。电源即使显示出较高的功率因数值，仍可能存在电流波形不佳、瞬态响应较弱，或在电源线零交叉点附近反复出现饱和现象。因此，需要进行更全面的检查。良好的有源功率因数校正应体现在波形中，而不仅仅体现在某个报告值上。

在接近额定负载运行的电源中，功率因数往往较高，这仅仅是因为平均电流能较好地跟随市电波形。但同一台电源在电感电流中仍可能存在明显的高频纹波，负载突变后的恢复速度较慢，或者出现电压环路溢出，导致线电流在每个波峰处发生偏移。这些问题在硬件层面无法消除。它们会在项目后期表现为合规裕度损失、热应力或调谐困难等问题。

有用的检查项目包括：电流总谐波失真（THD）、总线电压纹波、电流环超调、占空比削波以及线路过零点时的行为表现。每一项都揭示了不同的薄弱环节。功率因数表明已接近控制目标。其他图表则显示了该目标实现的纯净程度以及实际剩余的裕度。

在硬件构建测试之前，需设定量化饱和启动阈值

在硬件投入制造之前，应测试纸面调谐所忽略的数字层面的限制。量化、占空比饱和、软启动行为、传感器偏移以及负载瞬变都会以某种方式改变控制器的行为，而这些情况是整洁的连续模型所无法预见的。这些检查能将一个看似可行的闭环系统转化为真正可制造的系统，同时还能减少实验室测试中那些可能导致数周时间白白浪费的意外情况。

一套简短的硬件投入使用前测试方案可以发现大多数代价高昂的错误：

• 使用合理的ADC和PWM分辨率，以便能够观察到低电流下的失真。
• 截取占空比指令，并确认饱和后恢复状态保持稳定。
• 从空载总线电容器开始，观察软启动电流和总线过冲现象。
• 引入传感器偏移和增益误差，观察电流波形如何发生变化。
• 在低线和高线处对负载进行阶跃测试，以检测环路裕度不足的情况。

正是这一环节，使得数字PFC控制从初步构想转变为工程成果。你并非试图证明控制器能否工作，而是要证明在存在时序、限制条件和非理想信号的情况下，它仍能持续正常工作。SPS SOFTWARE非常适合这一最终步骤，因为可以在一个透明的模型中对转换器和控制环路进行评估，在电路板制造之前，增益选择和采样效应便一目了然。

“功率因数表明已接近控制目标。其他图表则显示了这一目标的达成程度有多理想，以及实际还留有多少余量。”