15APF 前级 PFC

单相 220V → Boost PFC → 直流母线

学完应能回答

• 能讲清 Boost PFC 的四大件（升压电感、MOSFET、二极管、母线电容）各自的工程作用 + 选型公式
• 能解释"为什么是双环、为什么外环慢内环快"，并说出典型带宽（电压环 50-200 Hz / 电流环 1-5 kHz）
• 知道 PF / THD / 母线纹波三个指标的工程目标值（家电 PF>0.95 / 商用 PF>0.99 / THD<10%）
• 能识别"电流环带宽不够 / 电感饱和 / 母线电容不足 / 双环带宽颠倒"四类典型现场坑
• 理解为什么压缩机变频器必须先升压到 380V 才好做弱磁（弱磁电压余量 = 母线 − BEMF）
• 能算电容选型：ΔU = I_load / (2·ω_line·C)，配合纹波 % 目标反推 C
• 会写 STM32 TIM1 + ADC + DMA 双缓冲的 PFC 同步采样骨架（电网过零 + |sin| 模板 + 电感电流采样）

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零基础速入

为什么要学

• 国标 GB/T 17625.1 要求家电谐波；没 PFC 直接整流的 THD > 100%，过不了认证。
• 380V 高母线是后级 FOC 弱磁运行的前提（详见弱磁模块）。
• 负载（压缩机）功率突变时 PFC 的电压环要能稳住母线，不让 FOC 看到大电压扰动。

学习目标

• 理解 Boost PFC 拓扑和控制目标
• 掌握双环结构：电压环 + 电流环
• 知道 PF / THD / 母线纹波三个关键指标的工程含义

核心概念

• Boost PFC = 整流桥 + 升压电感 + 开关 + 二极管 + 母线电容；通过控制开关让电感电流跟踪 |sin|。
• 外环：母线电压 PI → 输出电流参考幅值。内环：参考 × |sin| 与电感电流比较 → 占空比。
• PF = 真功率 / 视在功率；THD = 谐波 RMS / 基波 RMS；纹波 % = (Umax-Umin)/Uavg。

公式

工程意义

• PFC 是直流变频空调和工业冰箱的标配前级，不是"加分项"。
• 电流环带宽 1-5 kHz，电压环带宽 50-200 Hz；外环带宽要远小于内环避免互相打架。
• 母线电容选型按"持住 ≥ 1 个电网周期能量"算，太小纹波大、太大启动冲击大。

STM32 移植指南

• PFC 用单独的 PWM 通道（典型 TIM1_CH4 或 TIM3）；和 FOC 隔开避免相互干扰。
• 电流采样用 OPAMP 内置 + ADC injected 与 PWM 同步；母线 ADC 可放在常规序列。
• CCM (连续导通模式) 最常用；轻载 DCM 切换边界要单独处理避免调制比突变。

常见误区

调试方法

• 示波器抓输入电压和电流，理想应同相同形状。
• FFT 分析输入电流谐波，3/5/7 次是常见超标项。
• 观察负载阶跃下母线电压跌落和恢复时间。

建议实验

• Udc 380→250V 看 PF 下降。
• 负载电流 4→12A 看母线下沉。
• Boost 电感 1.5→0.5 mH 看电流纹波加剧。

STM32 C 代码骨架

/* apf_pfc.c — 单相 Boost PFC 双环控制
 * PWM 频率 60kHz，控制周期 = PWM 周期 = 16.7μs
 * 适配 STM32G4 + OPAMP 内置电流放大
 */

typedef struct {
    /* 测量 */
    float v_ac_rect;     // 整流后电压（A/D 实测）
    float i_l;           // 电感电流 A
    float udc;           // 母线电压 V

    /* 给定 */
    float udc_ref;       // 母线目标
    float i_amp_ref;     // 电流幅值参考（电压环输出）

    /* 控制器状态 */
    float volt_int, curr_int;
    float volt_kp, volt_ki;
    float curr_kp, curr_ki;

    /* 内部 */
    float sin_norm;      // |sin(ωt)| 模板（由零交叉过 PLL 得到）
} pfc_ctx_t;

void pfc_pwm_isr(pfc_ctx_t *p, float dt) {
    /* 1. 外环（电压）：每 N 个 PWM 周期跑一次（这里假设每周期都跑） */
    float err_v = p->udc_ref - p->udc;
    p->volt_int += err_v * dt;
    p->i_amp_ref = clamp(p->volt_kp * err_v + p->volt_ki * p->volt_int, 0, 30);

    /* 2. 电流参考：跟踪 |sin| */
    float i_ref = p->i_amp_ref * p->sin_norm;

    /* 3. 内环（电流） */
    float err_i = i_ref - p->i_l;
    p->curr_int += err_i * dt;
    float duty = p->curr_kp * err_i + p->curr_ki * p->curr_int;
    duty = clamp(duty, 0, 0.95f);

    /* 4. 写 CCR */
    TIM1->CCR4 = (uint16_t)(duty * (TIM1->ARR + 1));
}

/* 零交叉检测产生 |sin| 模板：
 * 输入端电压采样 PLL 跟随 100Hz 整流后正弦的相位 */
void pfc_update_sine_template(pfc_ctx_t *p) {
    /* 简化：直接用 v_ac_rect 归一化 */
    static float v_peak = 1;
    if (p->v_ac_rect > v_peak) v_peak = p->v_ac_rect;
    v_peak *= 0.9999f;     // 慢衰减
    p->sin_norm = p->v_ac_rect / fmaxf(v_peak, 1.0f);
}

下一步

• 至此 15 个模块全部完成。回到电机基础（01）按顺序通读，能完整看懂一台压缩机变频器从电网到电机的整条链路。

随堂题