总谐波失真 (THD) 是电源转换器设计中的一个关键指标。低 THD 意味着更高的功率因数 (PF)、更低的峰值电流和更高的效率。本文总结了德州仪器 (TI) 系统工程师 Bosheng Sun 关于如何在功率转换器的功率因数校正 (PFC) 阶段降低 THD 的一些技巧。

功率因数 (PF) 和总谐波失真 (THD) 的关系

功率变换器中的 PF 定义为平均功率 (P_平均) 与所有频率下的视在功率 (V_有效值 × I_有效值) 之比：

PF = P_平均 / (V_有效值 × I_有效值)    (1)

PF 可以分解为两个因素的乘积：

PF = 位移因数 × 失真因数    (2)

其中：

• 位移因数 与非电阻性负载可能产生的电压和电流之间的相位差有关，定义为：

  位移因数 = cos(v - i)    (3)

  其中 v 和 i 分别是电压和电流的相位角。

• 失真因数 定义为基频电流与总电流的比率：

  失真因数 = I_1均方根 / I_有效值    (4)

• THD 定义为所有非基频电流的均方根与基频电流均方根的比率：

  THD = √(所有非基频电流的均方) / I_1均方根    (5)

结合公式 4 和 5，可以得到：

失真因数 = √(1 / (1 + THD²))    (6)

因此，公式 1 中的 PF 可以表示为：

PF = cos(v - i) × √(1 / (1 + THD²))    (7)

随着行业发展，对THD的要求也变得更加严格。例如，服务器电源的模块化硬件系统通用冗余电源 (M-CRPS) 规范就对THD提出了明确的要求（见下表）。

表1：M-CRPS THD 规格

降低 THD 的技巧

以下是一些降低 THD 的实用技巧：

1. 软启动以减少过零点时的电流尖峰：

   无桥图腾柱 (BTP) 架构由于其高效率、拓扑简单和组件较少等优点而日益流行。然而，交流过零点处的电流尖峰是 BTP PFC 的固有问题。一种有效的解决方案是采用脉宽调制 (PWM) 软启动算法。在正交流周期开始时，通过逐渐增加快速腿（由GaN或SiC器件构成）的导通占空比，实现电流的平滑启动，有效抑制过零点电流尖峰。

2. 干净的感应信号：

   PFC 控制器需要使用交流线路电压、电感电流和输出电压的感应信号。为了降低 THD，这些信号必须尽可能干净。在控制器的输出电压检测引脚附近使用去耦电容非常重要。选择电容时，需要在降低噪声和避免增加延迟之间进行权衡。对于交流电压感应，建议使用固件锁相环来产生与交流电压同相的正弦波，并将其用于调制电流参考。

3. 过采样 PFC 电感电流：

   PFC 电感电流通常是一个锯齿波，在馈送到 PFC 控制器之前，需要通过信号调节电路进行处理。对电流进行过采样可以有效平均电流纹波，使测得的电流信号更接近平均值，从而降低控制器对输入电流纹波噪声的敏感性。例如，可以考虑每个开关周期采样8次。

4. 交流周期跳跃：

   在轻负载条件下，M-CRPS 等规范中对 THD 的要求可能难以满足。此时，可以使用交流周期跳跃技术。PFC 可以在交流过零点处跳过一个或多个周期。由于在跳跃期间电流为零，因此THD也为零。在未跳过的周期内，PFC 工作在类似于中等负载的功率水平，此时的 THD 值通常比轻负载时要好。

5. 占空比前馈：

   根据公式 8 预先计算占空比 (d_快)，然后将其添加到传统的平均电流模式控制输出中。

   d_快 = (V_外 - V_在) / V_外    (8)

   通过这种方式，大部分占空比由 d_快 产生，控制环路仅进行微调。这种方法尤其适用于环路带宽有限的控制器。

6. 用于双线频率纹波的陷波滤波器：

   在 V_外 检测到的信号和电压环路之间使用数字陷波滤波器可以衰减双线频率纹波，同时保持其他频率信号的正常通过。这有助于提高 THD，且不会对负载瞬态响应产生不利影响。另一种方法是在代表稳态的交流过零点处感应 V_外，并将其与电压环路中的瞬时 V_外 进行比较，以产生补偿响应。

总结

以上介绍了一些降低电源转换器PFC阶段THD的有效技巧，涵盖了从硬件电路设计到控制算法优化的多个方面。在实际应用中，需要根据具体的设计需求选择合适的技巧并进行优化，以实现最佳的THD性能，从而提高功率因数、降低峰值电流和提高转换效率。