输入功率大于 75 W 的 AC/DC 电源需要功率因数校正 (PFC)，以强制输入电流跟随输入电压，使电子负载看起来像纯电阻器。判断 PFC 性能的重要标准之一是总谐波失真 (THD)，它是一组高次谐波频率的均方根 (RMS) 幅度与谐波的 RMS 幅度之比，或者基频，如公式 1 所示：
减少 PFC 谐波和 THD 的谐波注入方法 - 公式 1
其中V n是n次谐波电压的RMS值， V 1是基波分量的RMS值。
近，THD 要求变得更加严格，尤其是在服务器应用中。在近发布的模块化硬件系统-通用冗余电源（M-CRPS）基本规范1中，THD应满足表1中列出的要求。
减少 PFC 谐波和 THD 的谐波注入方法 - 表 1：M-CRPS THD 规范。
表 1：M-CRPS THD 规格
此外，国际电工委员会 61000-3-2 2 （针对额定电流高达 16 A 的设备）通过规定从二次谐波到并包括 40次谐波电流的谐波电流值来限制电源电压失真。。图 1 显示了 IEC 61000-3-2 谐波限值。
减少 PFC 谐波和 THD 的谐波注入方法 - 图 1：IEC 61000-3-2 谐波限制。
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。尽管环路调整是减少它们的有效方法，但在某些情况下这还不够；在其他情况下，PFC 可能会通过 THD，但在特定谐波中会失败。
在本文中，我将提出一种主动补偿任何单个谐波的方法，从而降低该谐波的幅度。随着每个谐波的幅度降低，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。
生成正弦信号
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 电流控制环路以补偿该谐波。
为此，您需要首先找到基频，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：用于低优先级和低速任务（例如内务管理）的后台循环，以及用于高优先级和时间关键任务（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 f isr执行中断循环例程时，CPU都会读取测量值，这是中断循环的频率。比较测得的交流线路电压和交流中性线电压将确定交流过零。根据两个连续 AC 过零记录的 ADC 样本数，公式 2 将基频（AC 频率）计算为：
一种降低PFC谐波和THD的谐波注入方法
其中f 1是基频，N是两个连续 AC 过零中的 ADC 样本总数。
下一步是创建一个与正弦波的一个周期相对应的归一化正弦表。例如，表 2 显示了一个包含 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。
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，或者在读取一个元素后，跳过几个元素来读取下一个元素。以跳读的方式读表将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，首先计算步长，该步长指示CPU下次执行中断循环例程时将由CPU读取哪个元素。公式 3 计算步长：
一种降低PFC谐波和THD的谐波注入方法
其中f 1是基频，k是阶数，256 是正弦表中的条目总数。如果您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。结果左移m以保持良好的步长分辨率。公式 3 在后台循环中计算。
在中断循环服务程序中，根据公式 4 和 5 读取正弦表：
一种降低PFC谐波和THD的谐波注入方法
其中index_pointer指向您要读取的正弦表中的元素。右移m是因为公式3将index_step左移m 。sine_value是此时期望的正弦波的k阶值。
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。
现在您知道如何生成任意阶的正弦信号。根据基频，生成预期的高阶正弦信号。例如，如果 PFC 的三次谐波太高并且您想要降低它，请生成三阶正弦信号。如果您需要抑制多于一阶的谐波，请生成并组合所有这些阶次的正弦信号。所生成的正弦信号的幅度被归一化；您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良好调整。增益还将根据负载和输入电压等工作条件进行动态调整，以限度地提高补偿效果。这些正弦信号将作为谐波信号注入电流环路。
由于交流电压频率保持监测，如果交流电压频率发生变化，基波频率将自动更新，从而根据新的基波频率生成新的正弦信号。
将正弦信号注入电流环路
现在您已准备好相应顺序的正弦信号，在将其注入控制环路之前，您需要将其与交流电压同步。为此，您首先需要通过比较交流线路电压和交流中性线电压来检测交流过零，如上所述。在VAC过零的瞬间，将准备好的正弦信号与VAC同步。
同步后，将这些正弦信号注入 PFC 电流环路，注入电流环路基准或脉宽调制 (PWM) 占空比。实验表明，注入 PWM 占空比可以得到更好的结果。
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。
图2：谐波注入流程图
检测结果
我在由 Texas Instruments 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，我生成三阶和五阶正弦信号并将它们注入电流控制环路。如图 3 所示，谐波注入显着减少了三次和五次谐波。
图 3：有和没有谐波注入的谐波比较
由于各个谐波被抑制，THD 也会降低。图 4 显示谐波注入后 THD 显着降低。
图 4：有和没有谐波注入的 THD 比较
结论
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。
