作者：Bosheng Sun

作為德州儀器 （TI） 高性能隔離式電源團隊的一名工程師，我主要與通常需要高性能電源的服務器及電信公司合作。開發高端功率因數校正 （PFC） 設計，不僅需要在特定負載下使總諧波失真 （THD） 低于一定百分比，而且還需要每個諧波都不超過 IEC 61000-3-2 合規性標準中規定的特定限值。在這篇共分兩部分的博客中，我將介紹用于降低 PFC 諧波和改善 THD 的諧波注入法。

表 1，IEC 61000-3-2 諧波限值

閉環調諧通常是一種降低諧波失真、改善 THD 的有效方法。不過，我看到過有 PFC 設計通過了 THD 測試，但無論工程師如何努力調諧控制環路，也無法通過單個諧波失真測試。傳統閉環調諧在這種情況下幫助不大。因此需要使用新的方法來應對單個諧波。

我看到過工程師通過在單開關三相位整流器設計中注入三階電流信號來降低 THD。這使我想到了一種抑制（補償）高幅值諧波的類似方法。這種方法應該很容易使用，不僅不涉及額外的硬件成本，而且還非常靈活，可抑制任何階數的諧波。

在 TI UCD3138 等數字電源控制器的幫助下，我開發出了一種簡單的諧波注入法，其可有效抑制（補償）任意階數的諧波。因此，可降低特定階數的諧波幅值、改善 THD。

基本原理是生成一個特定階數的正弦信號，并將該信號注入 PFC 電流控制環路。正弦信號的幅值可根據負載和輸入電壓等工作條件進行動態調整，從而可最大限度地提高抑制效果。

更具體說，在數字控制 PFC 中，固件分為兩個主環路：針對低優先級和低速任務（例如內務操作）的后臺環路；以及針對高優先級和時間緊迫型任務（例如 PFC 狀態機）的中斷環路。

按照以下步驟在后臺環路中實施該方法：

用模數轉換器 （ADC） 在固定速率下測量輸入電壓 （Vac）。通過檢查 ADC 測量值找到 Vac 零點交叉。算出兩個連續零點交叉過程中 ADC 樣片的數量，用以計算 Vac 頻率。該頻率是基本頻率。

在 UCD3138 的 ROM 中有一個正弦表。表中有 256 個條目對應于正弦波的一個周期，每個條目都是整數。以不同的速度讀取該表，就可獲得不同的正弦信號頻率。正弦信號的幅值可能是表中條目乘以一個增益值。

以基本頻率為基礎，您將生成所需的高階正弦信號。例如，如果 PFC 的第三諧波過高，而我們希望將它降低，就可生成一個三階正弦信號。如果要抑制一個階數以上的諧波，就生成相同階數的正弦信號并將其組合在一起。這些正弦信號將作為用于注入的諧波信號。

每個正弦信號的幅值都可進行良好調諧。另外，也可根據工作條件（例如負載和輸入電壓）對該幅值進行動態調節，以便最大限度提高補償效果。

重復上面第一個步驟。即使 AC 頻率改變了，基本頻率也會自動更新，而且可生成基于該最新基本頻率的最新正弦信號。

該過程演示如下：

圖 1：后臺環路中的諧波注入流程圖