電機驅(qū)動涉及的應(yīng)用領(lǐng)域眾多，涵蓋了許多產(chǎn)品。從手持電動工具到大型家電， 甚至工業(yè)自動化的傳輸產(chǎn)線，都缺少不了電機系統(tǒng)。該類應(yīng)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(zhuǎn)子流動。如圖1所示，功率因數(shù)校正（PFC）在其中發(fā)揮著重要作用。因為PFC連接著動態(tài)負(fù)載（電機）和電網(wǎng)兩個截然不同的系統(tǒng)，不可避免的需要解決一系列技術(shù)問題。一般來說，有兩種技術(shù)路線可以應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，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(tǒng)，聚焦慧能泰HP1010 和HP1011帶來的優(yōu)勢，了解HP1010和HP1011的創(chuàng)新技術(shù)如何顯著提高電機驅(qū)動應(yīng)用的效率和性能。本文重點關(guān)注數(shù)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(fù)雜算法編程上來緩解對資源沖突的控制。

圖 1: 電機驅(qū)動系統(tǒng)的典型應(yīng)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)界首款圖騰柱無橋PFC專用數(shù)字控制器；HP1011是慧能泰首顆雙相交錯CCM模式PFC的數(shù)字控制器，同時也是中國首款。

兩款芯片的數(shù)字架構(gòu)基于高速數(shù)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的高性能實時控制。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(hù)功能，包括：逐周期電流限制保護(hù)、浪涌過電壓保護(hù)、輸入電壓過壓/欠壓保護(hù)、輸出電壓過壓/欠壓保護(hù)、輸出反饋電壓開路保護(hù)等，保護(hù)功能參數(shù)與使能均可獨立配置。靈活的設(shè)計特點，使其可廣泛應(yīng)用空調(diào)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(tǒng)。

此外，兩款芯片各自的特點也是十分突出的。HP1010浪涌電壓保護(hù)功能可以使在浪涌過電壓尤其是正半周反向雷擊、負(fù)半周正向雷擊時快速關(guān)斷慢速同步整流管，有效增強圖騰柱無橋PFC的穩(wěn)定性和可靠性。HP1011支持自動通道管理功能，和雙相間電感電流動態(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(tǒng)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(tǒng)效能優(yōu)化更加智能。在電機系統(tǒng)里， 電機轉(zhuǎn)速會根據(jù)應(yīng)用場景動態(tài)變化。因此前級PFC輸出電壓和后邊電機及時的匹配，至關(guān)重要，可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)效率。假設(shè)因電機負(fù)載減小，轉(zhuǎn)速變慢，但是此時PFC還是保持輸出原有的高電壓，那么注定無用功增加，效率降低。更還有可能對轉(zhuǎn)子機械結(jié)構(gòu)造成損壞。相反，如果及時的將輸出電壓調(diào)整下來，這樣無用功就可以避免。

類似的情況同樣適用于電機故障事件，PFC控制應(yīng)該及時和電機端聯(lián)動配合。實現(xiàn)智能聯(lián)動，電機控制芯片可以動態(tài)配置HP101x的三個寄存器。通過地址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(nèi)以0.27V微小步進(jìn)調(diào)整。此外，根據(jù)電機系統(tǒng)設(shè)計的具體要求，眾多的PFC的運行參數(shù)可以通過通信接口反饋到后級控制芯片。例如保護(hù)狀態(tài)，輸出電流，輸入電壓頻率，系統(tǒng)狀態(tài)等等， 都可以被后級控制芯片讀取，從而實現(xiàn)深度系統(tǒng)智能優(yōu)化。更多的細(xì)節(jié)可以通過HP101x GUI 用戶手冊獲取(慧能泰半導(dǎo)體官網(wǎng)-數(shù)字能源/HyCtrl (hynetek.com))。

QUICKLY

快速應(yīng)對電機系統(tǒng)里瞬態(tài)事件

智能聯(lián)動固然好，但是如果在通信指令到來之前，系統(tǒng)對突發(fā)事件的處理，更是系統(tǒng)可靠穩(wěn)定運行的保證。電機應(yīng)用的固有特性是：非線性和感性負(fù)載。相應(yīng)地，系統(tǒng)功耗也會隨負(fù)載和電機的旋轉(zhuǎn)速度而變化。這種非線性本身就會使PFC的設(shè)計難度增加。然后更具有挑戰(zhàn)的是，PFC控制需要同時滿足在寬負(fù)載范圍內(nèi)，保持高功率因數(shù)品質(zhì)。

一般來說，PFC控制算法包括快速電流環(huán)和慢速電壓環(huán)兩個環(huán)路。為追求單位功率因數(shù)，設(shè)計上電壓環(huán)的帶寬專門做窄帶處理，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。恰恰因為這個狹窄的電壓環(huán)帶寬，PFC處理快速負(fù)載變化的能力受到不利影響。對負(fù)載變化的錯誤或者不及時的處理可能會進(jìn)一步對放置在逆變器前面的電容造成過壓沖擊，從而影響系統(tǒng)的可靠性。此外，母線電壓的波動還可能來自交流側(cè)。AC線上的任何干擾，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(fù) (左)

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

HP1010和HP1011都展示了卓越的動態(tài)響應(yīng)性能。以下分別從交流輸入測，和負(fù)載端兩方面來展現(xiàn)其強大的瞬態(tài)性能。

為了抵御來自交流側(cè)的突然情況，HP1010和HP1011提供了逐周期電流保護(hù)配合其專利控制算法，以確保快速，可靠的響應(yīng)。圖3展示了電感電流迅速升至重載時，PWM（脈沖寬度調(diào)制）立即關(guān)閉，然后根據(jù)預(yù)先設(shè)置的閾值、周期時間和防抖時間進(jìn)行有序恢復(fù)。并且這三個參數(shù)是可以根據(jù)設(shè)計需求，通過寄存器靈活配置的。

另一方面，HP1010和HP1011在負(fù)載瞬態(tài)性能方面的卓越表現(xiàn)也可以從圖4中得到肯定，測量證實輸入電壓在90°時丟失，無論是丟失5毫秒還是10毫秒，都能實現(xiàn)平穩(wěn)快速的過渡。一旦發(fā)生下降，電流在幾個周期內(nèi)就可以智能地恢復(fù)到正常狀態(tài)。

快速環(huán)路模式是HP1010和HP1011的又一個特色，旨在對負(fù)載變化作出快速響應(yīng)。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。并且通過簡單的寄存器設(shè)置，可以定制參考電壓和響應(yīng)時間，從而為設(shè)計提供更大的靈活性。

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

IMPROVE

提升整個系統(tǒng)的EMI性能

電機和PFC控制分別在兩個不同的時鐘頻率上運行，電機為萬赫茲而PFC卻在十萬赫茲。這兩個節(jié)拍以不同的節(jié)奏激發(fā)整個系統(tǒng)板，因此導(dǎo)致了系統(tǒng)的電磁干擾（EMI）和電流的總諧波失真（THDi）環(huán)境惡化。

頻率抖動是解決這個問題的一個有效功能。HP1010和HP1011提供簡潔方便的定制抖頻。通過相關(guān)寄存器設(shè)計，HP1010和HP1011可以在給定周期數(shù)范圍內(nèi)改變開關(guān)頻率。并且這個功能有八個可用的步進(jìn)來滿足不同的設(shè)計要求。

從圖6明顯可見，啟用抖頻功能后，EMI性能在整個頻譜上都有所改善。

圖 6: EMI抖頻關(guān)（上）開（下）

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




審核編輯：劉清