在之前的文章中介绍了滞环电流模式控制的DCDC的实现和仿真建模过程：《国产滞环电流控制的无桥图腾柱PFC介绍 第一部分》，而本文将介绍由滞环电流模式控制的PFC实现和仿真建模过程。就PFC的控制目的来说，都是控制流入电感的电流呈正弦并跟随输入电网的电压。从实现的手段来看，CCM的平均电流模式，是依靠电压电流双闭环控制来实现，可见图一所示。电流内环控制电感的平均电流，然后电压环的输出乘以电网电压来产生电流内环的跟踪指令。关于平均电流模式PFC的更多文章请看：
1，《平均电流模式控制的CCM PFC Part1》
2，《平均电流模式控制的CCM PFC Part2》
3，《降低单相PFC的ithd的几个点子》。
（图一 平均电流模式PFC的控制）
下图是使用平均电流模式控制的PFC输入电压和电流波形：
（图二 平均电流模式的输入电压和电感电流）
而CRM PFC的控制实现，则是让电感电流的峰值呈正弦的包络线，利用三角波的平均值和峰值的关系来实现输入电流呈正弦。然后检测电感电流过零电流信号（ZCD），利用这个标志位刷新开关周期。从控制模型来看，一样是把电压环的输出乘以电网电压得到电感电流的电流峰值设定，其控制模型可见图三所示，下图是CRM经典控制IC，ST的L6562的控制原理图。
（图三 CRMPFC的控制实现）
关于CRM PFC的更多文章请看：
1，《ON TIME 控制的CRM PFC 建模与仿真》
下图是使用CRM控制的PFC输入电压和电流波形：
（图四CRM PFC的输入电压和电感电流）
从两种典型的PFC控制方式来看，不难发现如果把滞环电流控制的低端比较值设置到零，然后依靠闭环控制器去设置滞环比较器的低端比较值~高端比较值的大小，让这个变化量呈现正弦变化，就可以让电感电流从零开始增大到峰值，且峰值的包络线跟上了正弦波形，这样实现了CRM PFC的功能。可见图五所示，具体的展示了CRM PFC的滞环控制实现。
（图五 滞环电流CRM的PFC控制原理）
再来看滞环电流控制的CCM的实现，同理只需要让滞环比较器的低端比较值~高端比较值同时跟随正弦变化，就能实时的限制住流入电感电流，也就实现PFC的功能，可见下图所示。
（图六 滞环电流CCM的PFC控制原理）
在上文中介绍的滞环电流模式是可以实现CCM和CRM的PFC，下面我们来聊一聊具体的控制问题，我们先来看看数字控制平均电流模式所需要的几个关键组件：
- 电压环：用于控制输出电压稳定，低实时性。
- 电流环：用于控制电感电流平均值，高实时性，通常每个开关周期控制一次。
- 软件锁相环：用于跟随电网电压和相位，区分出图腾柱无桥的PWM时序。
- 高速高精度ADC：用于采样电感平均电流。
- 模拟比较器：用于限制开关周期电流，快速过流保护。
- 高精度PWM：产生高分辨率PWM控制开关管。
从这几个必备的组件来看，要实现一个平均电流模式无桥图腾柱PFC的控制对控制器的要求还是挺高的。所以目前行业中一般也是使用TI的C2000系列DSP比较多，因为控制算法中不仅有高实时性的闭环控制器在运行，还要实时运行锁相环和AC功率分析这些需要较多的三角函数和复杂数学计算的功能，另外为ADC的采样进IIR数字滤波也需要较多的计算量。算力一般的MCU，较难胜任PFC的控制。作为对比，我们来看看华大HSA8000无桥图腾柱PFC控制器的特性：
- 使用滞环电流模式控制：无需电流内环，所以提升了系统的响应速度。
- ADC的精度和转换速度要求低 ：无需电流内环，所以无需采样电感电流。仅对输出电压需要进行采样，但是400V的PFC电压通常不会需要很高的精度。
- 对电感量的偏移要求低：无电流内环，因为基于电感电流的纹波进行控制，所以电感量的参数偏移对控制影响不大。
- 环路滤波算法简单：无需计算精确的电感平均电流。
- EMI性能更好：滞环控制的自然变频。
- PWM分辨率要求低：PWM是由检测电感电流的状态机进行处理。
- 过流保护能力强：实时cycle by cycle比较器limits。
- 硬件锁相环：硬件锁相环锁定电网频率和相位，对CPU要求大幅度降低，释放了很多计算资源。
所以华大半导体这个无桥图腾柱PFC控制器，巧妙的应用滞环电流控制方法和片上模拟比较器，硬件锁相环等外设，实现PFC功能的同时降低了对CPU的计算性能要求，同时也降低了系统成本。
在之前的文章中我提到过这个控制器可以在正弦周期内自动的切换CRM和CCM，比如设置切换点为200V（PFC输出电压400V），那么当输入电压低于200V就能实现ZVS。当输入正弦电压继续升高，那么就自然过渡到CCM模式。这样可以在高压轻负载时优化系统效率，让大部分工况都落在CRM模式。当负载上升后就过渡到CCM，这样解决了全程CRM模式在满负载工作时电感纹波电流大，输入差模电流大，输出电容纹波电流大的不利影响了，可以说是把CRM和CCM的优点合二为一，这确实是一种创新。特别是在多台机器并联工作的系统中，可以把50%负载放在CRM模式，这样在并联工作时就能优化效率。
下图展示了控制器实现这个功能的方法，可以看到在正弦波低于0.5*Vpfc处，控制器把滞环电流比较器的低端比较点设置为零了，然后通过调节低端到高端的比较值来限制电感电流。随着电网电压高于0.5*Vpfc就把低端比较点提升，让电感电流进入连续模式。
(图七 CRM和CCM的过渡点)
在正弦周期内插入了部分工作区域的ZVS范围，自然对效率有提升。但是如果把这个功能在扩展一下，把低端比较器的值直接设置为负向值。让电流反向流过电感为高频开关实现ZVS后再开启开关管，这样就实现了TCM模式，TCM模式实现ZVS的原理可见下图所示。
（图八 TCM模式实现ZVS的原理）
我觉得原厂应该对这种控制方法进行深挖，如果能让PFC全程工作在TCM模式，这样使用普通硅管也能把PFC的效率做到非常的高。我想这一点对用户是存在非常大的吸引力的，因为这个控制器是数字内核，所以里面的控制代码是可以修改的，所以实现这一种控制方法应该是可行的。
在前几个月我花了较多的时间在研究TCM的PFC在DSP里面的实现方法，能想到最简单的实现是依靠预测控制加电感ZCD检测，环路根据负载功率计算周期时间长度，然后等抓到电感ZCD后，在根据输入/输出电压和COSS电荷来实时计算延迟关闭放电开关的时间长度，实现负向电流可控，最终实现TCM控制效果：（关于TCM控制的更多文章：《单相TCM PFC的原理、控制、仿真以及实现 Part1》）
(图九TCM控制在TI DSP中的实现方法)
由电流内环控制TON的长度，在计算实现ZVS所需的负向电流的扩展时间tsr_ext，然后把tsr_ext写入CPA，把tsr_ext+TON写入CPB。当TON结束后，高端开关驱动依靠死区时间模块互补产生。高端驱动TOFF开通后电感电流下降，依靠DSP里面的CMPSS里面抓电感电流的ZCD标志，然后靠ZCD标志重置TBPRD计数器，并重载周期。当PWM周期计数器的值大于CPA就开启低端驱动TON，同时关闭TOFF。为了实现TCM控制，逻辑上还是比较的复杂。
(图十TCM控制的负向电流算法)
如果使用华大半导体的HSA8000控制器就能很容易的实现TCM，在上文中已经反复提及了：只需把滞环电流低端比较值设为负值，再跟随电网电压来改变高端比较器的值即可。它是通过限制负向电流来的峰值大小实现ZVS控制，从实现的方法来看华大这个IC实现无桥图腾柱TCM PFC要更容易一些。加上有硬件锁相环的支持，用起来就非常省心和方便了，这也难怪它的周边所需的物料很少。
前面介绍了PFC控制所需要的组件，下面来介绍由滞环电流模式控制的PFC的控制原理。首先是滞环电流控制的CRM PFC框图，可见下图所示，这种实现极其简洁。没有了电流内环，电压环的输出经过电网波形前馈后直接作用到电感电流，然后由PWM状态机根据锁相环得到的电网相位输出对应的PWM。值得注意的是我增加了电网有效值前馈，这样对系统的动态响应是有好处。
（图十一 滞环电流模式控制的CRM PFC）
根据控制原理搭建闭环仿真模型，可见下图所示：
（图十二 滞环电流模式控制的 PFC功率框架）
控制逻辑部分：
模型运行：
（图十四 滞环电流模式控制的CRM PFC仿真模型）
下图是滞环控制的CCM PFC的控制原理，这种实现极其简洁。没有了电流内环，电压环的输出经过电网波形前馈后直接作用到电感电流，然后PWM状态机根据锁相环得到的电网相位输出PWM。与CRM不同是输出了电感电流的峰值和谷值用来做控制。
（图十五 滞环电流模式控制的CCM PFC控制原理）
控制部分仿真模型：
（图十六 滞环电流模式控制的CCM控制）
运行：
（图十七 滞环电流模式控制的CCM控制）
小结：
本文简单的介绍了滞环电流模式控制的CRM和CCM PFC的实现原理和仿真建模过程。也介绍了华大半导体的HSA8000无桥图腾柱PFC控制器的优点和功能实现的原理，希望大家在应用此类控制器的时候能得心应手，手到擒来。必须要说的是本人能力有限，如果上文中有错误的地方还请多多包涵，希望能把错误之处告诉我，共同进步，谢谢。