15 WalkthroughAPF 前级 PFC

建立"没 PFC 就是认证不过 + 后级弱磁没余量"的双重工程直觉

默认 380V 母线下先观察主图：电网电压（青色正弦）与输入电流（mint 正弦）几乎重合，右上角 PF≈0.99、THD<10%。

电流波形是干净的正弦、跟电压基本同相位；母线电压稳在 380V 附近。

这就是 PFC 要交付的"成品"。对比一下：没 PFC 的整流桥 + 大电容方案，输入电流只在电压峰值附近导通一小段（约 60° 导通角），THD>100%、PF≈0.6，过不了 GB/T 17625.1——工厂出货前 3C 认证一票否决，整条产线返工。**第二层意义**：没 PFC 时母线就是电网整流后的 |sin| 半波 + 大电容滤波 ≈ 300 V 平均、纹波 ±15 V；有 PFC 升到 380V 稳定，给后级 FOC 弱磁多出 80V 余量 → 压缩机最大转速能从 5500 rpm 推到 7200 rpm（一级能效门槛）。

把"升压电感 + MOSFET + 二极管 + 母线电容"四大件的作用串起来

看右侧"为什么压缩机要 PFC"卡片 + 下方电感电流跟踪图，把整流桥后的 |sin| 半波 → 升压电感 → MOSFET 斩波 → 二极管单向导通 → 母线电容滤波这条链路在脑里走一遍。

电感电流 iL（橙）紧紧跟着参考 |sin|（灰虚线）走；母线电压（mint）在 380V 附近做小幅 100 Hz 纹波。

Boost 关系 Udc = Vrect / (1 − D)：D=0 时 Udc=电网峰值≈311 V（不升压），D=0.5 时翻倍到 ~620 V。家电典型工作点 D≈0.3-0.5，把 220V AC 推到 380-400V DC——这个 380V 不是随便选的，它正好给后级 PMSM 在 6000-8000 rpm 弱磁运行留出电压余量。各件选型口诀：① 电感 L = Vrect·D·Ts/(2·ΔiL_pp)，典型 1-2 mH / 30A 饱和；② MOSFET 选 600 V / 30 A SJ-MOS 或 SiC（高频低损）；③ 二极管选 SiC SBD 600V/20A（反向恢复电荷 0）；④ 电容 C 见下面"capacitor-ripple"步骤。

理解"PF=1 等价于电流跟着电压走同形同相"

右侧把"母线目标 Udc"从 380V 拉低到 250V（接近不升压区）。盯住主图电网电压 vs 输入电流。

电流波形开始失真——峰值附近被削、过零点附近滞后；PF 从 0.99 跌到 0.8-0.9，THD 上窜到 20%+。

当目标母线低于电网峰值时，Boost 没有"升压裕量"，电流环在电压峰附近饱和、控不住，电流自然就不再是正弦。这告诉你 PFC 工作的前提是 Udc > Vpeak·1.2 左右——这是为什么 220V 系统选 380V、110V 系统选 200V 的工程依据。把 Udc 拉回 380V，再看 PF 恢复到 0.99。**实现细节**：内环参考是 i_ref = i_amp · |sin(ω_line·t)|，其中 i_amp 由外环电压 PI 给出，|sin| 模板从电网电压采样实时计算（PLL 锁电网相位）—— 这就是"前馈跟踪"的核心思想，不是 PI 在追 sin，是直接告诉它"长什么样"。

搞清外环"为什么必须慢 + 为什么必须 notch 滤 100 Hz"

保持 Udc=380V，把"负载电流"从 4A 阶跃到 12A（模拟压缩机突然加载），观察"母线电压稳定"图。

母线电压瞬间下沉 5-15V，然后用 50-200 ms 缓慢爬回 380V；电流幅值参考 i_amp_ref 慢慢加大。

外环带宽 50-200 Hz 远小于内环 1-5 kHz，原因有三：① 整流后母线本身有 100 Hz 主纹波（电网 50 Hz 全波整流），外环带宽必须 < 100 Hz/2 才不会把纹波放大成调制误差；② 双环系统外快内慢必振荡（典型反面教材：把电压环 Kp 调到比电流环还高，母线立刻嗡嗡叫）；③ 母线下沉幅度由电容 C 决定：ΔUdc ≈ I_load / (2·ω_line·C)，外环响应快也救不了——救它的是大电容。**进阶**：高端 PFC 在电压反馈通道加 100 Hz notch 滤波器，把纹波打掉再进 PI，这样可以把外环带宽提到 300-500 Hz 而不被纹波激励振荡——但要小心 notch 引入的相位滞后，Q 值要选 0.3-0.5（不要太尖）。

理解电感选型对电流纹波和 THD 的直接影响 + 饱和电流的隐藏陷阱

把"Boost 电感 L"从默认 1.5 mH 拉低到 0.5 mH，看电感电流跟踪图。

橙色 iL 在 |sin| 参考线两侧的"抖动包络"明显变宽，THD 从 8% 升到 15-25%。

PWM 一个周期内电感电流的纹波 ΔiL = Vrect·D·Ts / L——L 越小纹波越大；当纹波幅度接近平均电流时，电流环就难以稳定跟踪 |sin| 模板，THD 直接超标。但 L 也不能太大，太大 → 体积成本上去 + 动态响应变慢 + 重载时进入磁饱和（关键陷阱：选电感时只看额定电流不看饱和电流，磁芯一旦超过饱和电流，L 急剧下降到标称 30%，同样占空比下纹波翻 3 倍，电流环失控）。生产中典型选型：1-2 mH 电感量 + 饱和电流 ≥ 1.5 倍峰值工作电流 + 工作温升 40-80 ℃ 留余量。磁芯选 SendDust（铁硅铝）或纳米晶，居里点 > 200 ℃；避免铁氧体（居里点 200 ℃ 但环境高温下磁导率掉很快）。

量化"母线纹波"的工程含义 + 启动浪涌防护

把"母线电容 C"从 470 μF 拉到 100 μF，看"母线电压稳定"图和右上角"母线纹波 %"指标。

母线在 380V 附近的 100 Hz 摆动从 ±2V 放大到 ±10V 以上；纹波 % 从 1% 跳到 5%+。

ΔUdc ≈ I_load / (2·ω_line·C)：电网 50 Hz 整流后是 100 Hz 主纹波，电容直接决定纹波幅值。后级 FOC 看到的母线如果纹波 >5%，dq 电压前馈解耦会失准、电流环也会被周期性扰动——表现为电机带恒定 100 Hz 嗡嗡声、转矩有 100 Hz 脉动、压缩机阀片疲劳寿命下降。家电压缩机典型选 470-1000 μF 高压电解（450 V 耐压 + 105 ℃ 长寿命系列）；选小了省成本但纹波超标，选大了启动浪涌电流过大要加 NTC 软启动电阻（典型 5-10 Ω 负温度系数热敏，启动后旁路继电器短接）。**注意**：电解电容 ESR 在 -20 ℃ 增大 5-10 倍，北方冬季空调外机启动时纹波会显著恶化，设计要按最坏温度算。

把双环 PFC 接到 TIM1 + ADC + DMA 双缓冲的具体寄存器配置

想象目标 MCU 是 STM32 G4 / F334（带高分辨率 PWM）。要采样：① 电感电流 iL（每 PWM 周期）② 电网电压 v_grid（每 PWM 周期，用于 |sin| 模板）③ 母线电压 Udc（低频，1 kHz 够）。

TIM1 中心对齐 50 kHz PWM（PFC 比 FOC 高一档，电流环带宽要 5 kHz）+ ADC1 注入序列 3 通道 + DMA 循环缓冲 → JEOS ISR 跑电流环 + TIM6 1 kHz 中断跑电压环。ISR 总耗时 < 5 μs，CPU 占用 25%。

STM32 G4 PFC 实现骨架（生产可抄）： /* TIM1 中心对齐 50kHz PWM (PFC 用高频，电流环要 5kHz 带宽) */ LL_TIM_SetCounterMode(TIM1, LL_TIM_COUNTERMODE_CENTER_UP_DOWN); LL_TIM_SetAutoReload(TIM1, 1700); /* 170MHz/(2*50k)=1700 */ LL_TIM_SetTriggerOutput(TIM1, LL_TIM_TRGO_UPDATE); /* ADC1 注入序列：CH1=iL, CH2=vgrid, CH3=Udc */ LL_ADC_INJ_SetTriggerSource(ADC1, LL_ADC_INJ_TRIG_EXT_TIM1_TRGO); LL_ADC_INJ_SetSequencerLength(ADC1, LL_ADC_INJ_SEQ_SCAN_ENABLE_3RANKS); /* JEOS ISR (50 kHz)：电流环 + |sin| 模板生成 */ void ADC1_2_IRQHandler(void) { float iL = (ADC1->JDR1 - g_il_off) * IL_SCALE; float vgrid = (ADC1->JDR2 - g_vg_off) * VG_SCALE; /* 电网过零检测 + PLL 锁相得到 theta_grid */ float sin_template = fabsf(sinf(theta_grid)); /* |sin| 模板 */ float iL_ref = g_i_amp * sin_template; /* 内环参考 */ /* 电流 PI：带宽 5kHz，Kp = ω_bw·L = 2π·5000·1.5e-3 ≈ 47 */ float duty = pi_update(&pi_curr, iL_ref, iL); duty = fmaxf(0.02f, fminf(0.95f, duty)); /* Boost D 上限 0.5-0.95 */ TIM1->CCR1 = (uint32_t)(duty * TIM1->ARR); } /* TIM6 1kHz 中断：外环电压 PI + i_amp 输出 */ void TIM6_DAC_IRQHandler(void) { float Udc = (ADC1->JDR3 - g_udc_off) * UDC_SCALE; /* 100 Hz notch 先滤掉纹波再喂电压 PI */ float Udc_clean = biquad_notch_100hz(Udc); g_i_amp = pi_update(&pi_volt, UDC_REF, Udc_clean); g_i_amp = fmaxf(0.f, fminf(15.f, g_i_amp)); } 三个工程数字：① PFC PWM 选 50-100 kHz（比 FOC 16 kHz 高 3-6 倍，让电流环能上 5 kHz 带宽）；② ADC 采样率 ≥ 100 kSPS；③ 电压环 1 kHz 任务周期足够（外环带宽 50-200 Hz）。

把仿真数据接回认证 / 营销话术

把 Udc 拉回 380V、L=1.5 mH、C=470 μF、负载 8A，读取右上角 PF 和 THD。

PF ≈ 0.99，THD < 10%；两个 badge 都是 mint 绿色（measure 色阶）。

工程目标三档对应不同售价段和 BOM 成本：① **家电入门 PF>0.95 / THD<20%** — 过 GB/T 17625.1 Class A 即可，BOM 电感 1 mH / 电容 470 μF / 电流环 1 kHz；② **商用空调 PF>0.99 / THD<10%** — 进政府采购名录、能效一级、出口欧盟 EN 61000-3-2，BOM 电感 1.5-2 mH / 电容 680 μF / 电流环 5 kHz / notch 100 Hz；③ **高端伺服 PF>0.995 / THD<5%** — 出口欧盟工业现场，BOM 用 SiC MOSFET + 100 kHz PWM + 数字 notch + 自适应 PI。每升一档售价多 30-50%，BOM 多 10-20 元——这是高端家电品牌的核心利润空间。

把 PFC 接进整个压缩机变频器链路

回顾全链路：电网 220V AC → 整流桥 |sin| 半波 → Boost PFC（本模块）→ 380V 母线 → 三相逆变器（08）→ FOC SVPWM 驱动 PMSM（06/07）→ 弱磁高速运行（11）→ 制冷循环做功（16）。

PFC 是整条链路的"电源接口管理员"——对电网负责（PF、THD），对后级负责（稳定 380V）。

从产品视角：你卖的不是一台 FOC 控制器，而是一台"能过认证、能上货架"的家电核心板。少了 PFC，前面所有 FOC 优化都没意义——产品根本上不了市。下一模块 16 制冷台架，把 PFC + FOC + 压缩机 + 蒸气压缩循环串成一个完整的"系统工程"工况看——你会看到压缩机突加大冷量负载时，扰动如何从冷凝器水温 → 排气压力 → 转矩需求 → Iq → 母线电流 → PFC 内环幅值参考 → 电网电流逐级传导，整条链路任何一环响应不够快都会让母线掉电触发欠压保护。