深入探讨图腾柱PFC和交错式PFC系统助力电机驱动的应用

电机驱动涉及的应用领域众多，涵盖了许多产品。从手持电动工具到大型家电， 甚至工业自动化的传输产线，都缺少不了电机系统。该类应用的技术特性要求电力能量从单相交流供电网络向三相电机转子流动。如图1所示，功率因数校正（PFC）在其中发挥着重要作用。因为PFC连接着动态负载（电机）和电网两个截然不同的系统，不可避免的需要解决一系列技术问题。一般来说，有两种技术路线可以应对这些挑战，一种是单芯片集成控制；另外一种是离散的双芯片分立控制，分别满足PFC和电机逆变器的需求。

在这篇文章中，我们深入探讨图腾柱PFC和交错式PFC系统，聚焦慧能泰HP1010 和HP1011带来的优势，了解HP1010和HP1011的创新技术如何显著提高电机驱动应用的效率和性能。本文重点关注数字控制器，而不是像FAN9672、NCP1631和UCC28070这样的模拟芯片，也不是像F28035这样的DSP芯片方案。因为后者需要投入大量研发精力在复杂算法编程上来缓解对资源冲突的控制。

图 1: 电机驱动系统的典型应用

HP1010和HP011是慧能泰最新推出的两款PFC控制器，封装尺寸均为4毫米 x 4毫米的QFN-24L。其中HP1010是业界首款图腾柱无桥PFC专用数字控制器；HP1011是慧能泰首颗双相交错CCM模式PFC的数字控制器，同时也是中国首款。

两款芯片的数字架构基于高速数字状态机，并集成了高性能模拟前端以及高速比较器，确保了PFC的高性能实时控制。在睡眠模式下，芯片的供电电流将降低至1 mA。丰富完善的可编程保护功能，包括：逐周期电流限制保护、浪涌过电压保护、输入电压过压/欠压保护、输出电压过压/欠压保护、输出反馈电压开路保护等，保护功能参数与使能均可独立配置。灵活的设计特点，使其可广泛应用空调和白色家电、高性能计算机、5G/ 电信电源、工业电源、超高密度 (UHD) 电源、带有IGBT的PFC电源等系统。

此外，两款芯片各自的特点也是十分突出的。HP1010浪涌电压保护功能可以使在浪涌过电压尤其是正半周反向雷击、负半周正向雷击时快速关断慢速同步整流管，有效增强图腾柱无桥PFC的稳定性和可靠性。HP1011支持自动通道管理功能，和双相间电感电流动态均衡，双相间电感电流有效值偏差小于5%。

EFFICIENCY

I2C和UART通信保障电机系统能效最优

两款芯片均提供I2C 和UART通信接口，这样使电机系统效能优化更加智能。在电机系统里， 电机转速会根据应用场景动态变化。因此前级PFC输出电压和后边电机及时的匹配，至关重要，可以进一步提高系统效率。假设因电机负载减小，转速变慢，但是此时PFC还是保持输出原有的高电压，那么注定无用功增加，效率降低。更还有可能对转子机械结构造成损坏。相反，如果及时的将输出电压调整下来，这样无用功就可以避免。

类似的情况同样适用于电机故障事件，PFC控制应该及时和电机端联动配合。实现智能联动，电机控制芯片可以动态配置HP101x的三个寄存器。通过地址0x00[2]可以选择是否使能PFC功能。地址0x23 和0x24分别为低压和高压输入时输出电压的参考。HP101x 高精度的模拟前端支持在0V到560V范围内以0.27V微小步进调整。此外，根据电机系统设计的具体要求，众多的PFC的运行参数可以通过通信接口反馈到后级控制芯片。例如保护状态，输出电流，输入电压频率，系统状态等等， 都可以被后级控制芯片读取，从而实现深度系统智能优化。更多的细节可以通过HP101x GUI 用户手册获取(慧能泰半导体官网-数字能源/HyCtrl (hynetek.com))。

QUICKLY

快速应对电机系统里瞬态事件

智能联动固然好，但是如果在通信指令到来之前，系统对突发事件的处理，更是系统可靠稳定运行的保证。电机应用的固有特性是：非线性和感性负载。相应地，系统功耗也会随负载和电机的旋转速度而变化。这种非线性本身就会使PFC的设计难度增加。然后更具有挑战的是，PFC控制需要同时满足在宽负载范围内，保持高功率因数品质。

一般来说，PFC控制算法包括快速电流环和慢速电压环两个环路。为追求单位功率因数，设计上电压环的带宽专门做窄带处理，一般为几十赫兹，从而与更高频率的整流电流环路分离，避免干扰。恰恰因为这个狭窄的电压环带宽，PFC处理快速负载变化的能力受到不利影响。对负载变化的错误或者不及时的处理可能会进一步对放置在逆变器前面的电容造成过压冲击，从而影响系统的可靠性。此外，母线电压的波动还可能来自交流侧。AC线上的任何干扰，如电压丢失或雷击，都有可能对上述同一电容器造成损害。

图 3：100 Vac, 400V, 1.5A To 1.9A, 锁住 (右), 恢复 (左)

图 4: 100 Vac, 90° 掉电, 5ms (左) / 10ms(右)

HP1010和HP1011都展示了卓越的动态响应性能。以下分别从交流输入测，和负载端两方面来展现其强大的瞬态性能。

为了抵御来自交流侧的突然情况，HP1010和HP1011提供了逐周期电流保护配合其专利控制算法，以确保快速，可靠的响应。图3展示了电感电流迅速升至重载时，PWM（脉冲宽度调制）立即关闭，然后根据预先设置的阈值、周期时间和防抖时间进行有序恢复。并且这三个参数是可以根据设计需求，通过寄存器灵活配置的。

另一方面，HP1010和HP1011在负载瞬态性能方面的卓越表现也可以从图4中得到肯定，测量证实输入电压在90°时丢失，无论是丢失5毫秒还是10毫秒，都能实现平稳快速的过渡。一旦发生下降，电流在几个周期内就可以智能地恢复到正常状态。

快速环路模式是HP1010和HP1011的又一个特色，旨在对负载变化作出快速响应。从图5中可以看出，在保持输出电压为400伏特的情况下，使用快速环路功能和不使用的差异在10%以上。并且通过简单的寄存器设置，可以定制参考电压和响应时间，从而为设计提供更大的灵活性。

图 5: 100 Vac, 60 Hz, 空载-重载, Vout 334V ( 快环开启, 左), Vout 290V ( 快环关闭, 右)

IMPROVE

提升整个系统的EMI性能

电机和PFC控制分别在两个不同的时钟频率上运行，电机为万赫兹而PFC却在十万赫兹。这两个节拍以不同的节奏激发整个系统板，因此导致了系统的电磁干扰（EMI）和电流的总谐波失真（THDi）环境恶化。

频率抖动是解决这个问题的一个有效功能。HP1010和HP1011提供简洁方便的定制抖频。通过相关寄存器设计，HP1010和HP1011可以在给定周期数范围内改变开关频率。并且这个功能有八个可用的步进来满足不同的设计要求。

从图6明显可见，启用抖频功能后，EMI性能在整个频谱上都有所改善。

图 6: EMI抖频关（上）开（下）

以上就电机应用的特点，从智能联动，瞬态响应，EMI, 三方面来介绍HP101x是如何提升电机系统的整体性能。其实，HP1010和HP1011还提供了一系列更为先进的功能，以确保设计过程更加灵活和适用系统更可靠。例如，丰富的保护功能、X-电容放电、功率计量、浪涌电流保护等等。