基於ST StellarP6的6.6kW PFC過零點軟啟動策略

一.引言

隨著高功率密度與高效能需求的提升，圖騰柱功率因數校正（PFC）電路因其低導通損耗和拓撲簡潔的優勢，成為6.6kW及以上大功率電源系統的核心方案。然而，在交流輸入過零點附近，PFC電路容易因快管占空比跳變、體二極體反向恢復及寄生電容效應產生電流尖峰，導致系統效率下降、電磁干擾（EMI）惡化及總諧波失真（THD）升高。傳統硬開關控制策略雖能實現基礎功率校正，但難以平衡過零點動態響應與電流應力的矛盾，本文基於ST StellarP6的高性能即時控制MCU，提出一種針對6.6kW圖騰柱PFC的過零點軟啟動策略。透過動態調節快管與慢管的占空比時序，結合軟啟動演算法，抑制過零點期間的電感電流突變及體二極體反向恢復問題。

二.PFC快慢管發波時序介紹

基於ST StellarP6的GTM模組（Generic Timer Module），利用其高精度計時能力實現圖騰柱PFC的快速開關控制，使用GTM Cluter1中的ATOM1_0及ATOM1_0N通道作為PFC快管PWM通道，生成互補PWM信號，通過GTM DTM模組自動插入死區時間，防止快管（Q1/Q2）直通短路，採用中心對齊模式（Center-Aligned Mode），確保開關管導通/關斷對稱性，快管的開關頻率為67KHz。

Q3和Q4由GPIO直接控制，工作頻率與電網同步（50Hz），在交流半週期內保持常開或常關。

使用ATOM1_4通道作為電流取樣ADC觸發信號，ADC在PWM開啟/關閉的中間點觸發，以確保電網電流感測的準確性。

三.PFC過零點軟啟動策略介紹及程式碼實現

對於Vac電壓的過零點判斷是基於AC電壓取樣經過濾波後的電壓信號ZeroCross，採用二階廣義積分器（SOGI）對交流電壓信號進行濾波，提取無諧波干擾的ZeroCross過零信號。

以過零點為中心，設置300μs動態窗口（可配置參數），通過在軟體中判斷是否進入了過零點軟啟動窗口，當ZeroCross信號由正向負切換時，Q2管會從非常大的占空比切換為非常小的占空比，在過零點軟啟動範圍內將Q2管完全關閉，Q1管進行軟啟動，Q1管的占空比會在軟啟動範圍時間內逐漸遞增至環路計算輸出的占空比，當軟啟動的占空比與環路計算輸出的占空比一致時，占空比切換為環路計算輸出值；當ZeroCross離開軟啟動範圍後，Q2管恢復正常開波。Q3及Q4管在軟啟動範圍內始終關閉。當ZeroCross信號由負向正切換時，以此類推如下圖。

過零點軟啟動的程式碼如下：

如果 (Enable_flag > 0.0F) {
    OPL_Flag = ((Q3) && (Q4));
    OR_p = (Q3 || Q4);
    如果 ((!OR_p) && (DiscreteTimeIntegrator_PrevRese == 1)) {
        DiscreteTimeIntegrator_DSTATE_i = 0.0F;
    }
    如果 (OPL_Flag) {
        如果 (iL1_duty_debug > DiscreteTimeIntegrator_DSTATE_i) {
            TTPL_OPLduty1 = DiscreteTimeIntegrator_DSTATE_i;
        } 否則 {
            TTPL_OPLduty1 = iL1_duty_debug;
        }
    }
    In6 = Merge;
    DiscreteTimeIntegrator_DSTATE_i += 111.9403F;
    DiscreteTimeIntegrator_PrevRese = (int8_T)OR_p;
}

四.實驗現象

下圖為交流電壓由正向負切換時的軟啟動波形：

下圖為AC電壓由負向正切換時的軟啟動波形：

在6.6kW滿載運行條件下，可以看到電流在AC電壓過零點處沒有明顯的尖峰電流產生，iTHD為1.65%。

五.結論

本文基於ST StellarP6高性能即時控制MCU，提出了一種針對6.6kW圖騰柱PFC的過零點軟啟動策略。透過動態調節快管與慢管的占空比時序，並結合軟啟動演算法，有效抑制了過零點期間的電感電流突變及體二極體反向恢復問題。實驗結果顯示，在6.6kW滿載工況下，電流在AC電壓過零點處無明顯尖峰電流產生，總諧波失真（iTHD）僅為1.65%，顯著提升了系統的效率和電磁相容性。該策略在解決傳統硬開關控制策略難以平衡過零點動態響應與電流應力矛盾的問題上取得了一定成效，為大功率電源系統中圖騰柱PFC電路的設計提供了一種有效的解決方案。