面向热泵、HVAC、储能与数据中心 EC 风机的数字 Vienna PFC + 多电机控制系统方案
近年来，热泵、大功率 HVAC、储能系统以及数据中心 EC 风机(Electronically Commutated, 电子换向风机)等应用快速增长，对电源质量和系统效率提出了更高要求。
尤其是在欧洲热泵市场、大功率 HVAC 以及数据中心风机等场景中，系统不仅要满足高效率、高功率密度，还要面对越来越严格的谐波电流要求。
例如，在部分应用中，即使系统工作在 10% 轻载条件下，也需要满足 THD < 5% (THD, Total Harmonic Distortion总谐波畸变率) 的要求。这意味着，传统整流方案已经越来越难以覆盖新一代系统需求，三相主动 PFC 正在成为更多大功率电机驱动应用的选择。
在这一背景下，英飞凌推出了基于单颗 MCU 的 数字 Vienna PFC + 多电机控制系统解决方案，面向热泵、HVAC、风机以及类似大功率电机驱动场景，帮助客户在满足谐波指标的同时，简化系统设计并缩短开发周期。
本方案基于单颗 PSoC C3 MCU，实现了 Vienna PFC、压缩机控制和风机控制的协同运行。相比将 PFC 与电机控制拆分到多个控制器的传统做法，这种方案可以在系统层面带来更高集成度。
此方案的系统优势如下：
- 减少控制器数量
- 简化系统架构
- 降低硬件复杂度
- 提升电源与电机控制协同性
- 缩短客户软件开发和调试周期
为了更直观地理解系统架构，整体方案拓扑如下。
图1. 基于单颗 MCU 的数字 Vienna PFC + 多电机控制系统拓扑
表1该方案用到的英飞凌关键物料：
表1. 英飞凌关键物料描述
1. Vienna PFC方案的优势和实现原理简述
其中，MCU 通过先进的 ADC、TCPWM 和 Trigger Mux 等资源，实现电源转换与多电机控制之间的高效配合。
在实际系统中，该方案可支持 Vienna PFC + 压缩机 + 风扇同步控制，CPU 占用率低于 40%，为后续功能扩展和系统优化保留了充足余量
Vienna PFC 方案的几个关键优势：
1）输入 / 输出电压采集电路更简洁
该方案采用由电阻、电容构成的输入输出电压采集电路，不需要隔离运放。
这带来两个直接好处：
- 电路更简单
- 系统可靠性更高
同时，软件通过伪差分方式还原三相输入电压，并抑制共模干扰，从而在简化硬件的同时保证控制所需的电压采样质量
2）三电流传感器模式，软件去共模
在三电流传感器模式下，系统可以通过软件方式去除由 EMC 滤波器或 PCB 接地引入的共模噪声。
对于大功率系统而言，共模干扰往往会影响电流采样质量，进而影响 PFC 控制效果。通过软件去共模，可以提升系统在复杂电磁环境下的运行稳定性。
3）45Hz~65Hz输入频率自适应
该方案采用正负相序分离 PLL，可自动适应电网频率和接线相序，并支持不平衡输入电压条件下的运行。
这意味着系统在不同国家、不同电网条件以及实际安装环境中，具备更强的适应能力
4）SRF-PLL（同步旋转坐标系PLL）
采样三相电压 Va,Vb,Vc, 通过Clark/Park变换得到：
如果锁相准确，Vq=0; 因此e=Vq作为PLL误差, 然后通过PID调节ω=ω0+KpVq+Ki∫Vqdt，积分得到相位θ=∫ωdt, 这样即可获得：电网频率，电网相位，电网同步正弦波，用于dq控制。
图 2：基于 SRF-PLL 的三相电网同步控制原理
通过该控制结构，系统可以获得稳定的电网相位与同步信号，为后续 dq 电流控制提供基础。
5）控制策略：兼顾轻载 iTHD 与中高负载性能
为了兼顾不同负载区间的控制效果，该方案采用了线性控制与非线性控制相结合的思路。
在线性控制部分，dq 旋转坐标控制器的控制频率可达到载波频率的 2 倍，从而获得较高响应带宽。
在轻载状态下，系统根据电感曲线动态调节电流环参数，使电流环保持在较优工作状态，以降低 iTHD。
在中高负载状态下，非线性控制器根据负载曲线调节电流环参数，降低对输入电压采样精度、噪声和 PLL 角度的依赖，从而提升系统鲁棒性。
简单来说，这套控制策略的目标很明确：高带宽电压环：应对轻载和负载突变。
在电压环设计上，该方案基于模型计算 PID 参数，并结合实测结果进行微调。
同时，PID 参数会根据误差动态调节，使系统在轻载运行和负载突变条件下仍能保持稳定，避免出现明显过压问题。
图 3：高带宽电压环用于提升轻载和负载突变条件下的稳定性
对于热泵、压缩机和风机类系统来说，负载变化并不罕见，电压环响应能力直接影响系统运行可靠性。
2. 系统指标：满载高 PF，轻载 THD 也能达标
本方案面向三相 380V 输入系统，功率等级约 7–8kW，关键指标如下：
- 输入电压：三相 380V ±20%
- PFC PWM 频率：35kHz–40kHz
- 电机驱动 PWM 频率：6kHz–16kHz
- 直流输出电压：600V–750V
- 峰值效率：最高可达 97.4%
- 满载 PF：> 0.98
- 满载 THD：< 2.2%
- 10% 轻载 THD：< 5%
- 支持畸变电网输入并稳定运行
图4. 控制板实物
表2. 系统指标
3. 用户实测数据
以下是基于8kW电机负载的实测的数据整理，700W(9%负载下)iTHD已经能满足<5%。
图5. 实测的数据整理
4. 软件支持：缩短客户开发周期
除了硬件参考设计，英飞凌还提供包含 PFC 和电机驱动的软件设计参考。
这意味着客户不仅可以获得电路层面的参考，也可以在控制算法、参数配置、调试流程等方面获得支持，从而缩短从方案评估到系统落地的时间。
此外，该方案除了适用于 Vienna 拓扑，也具备较好的可移植性，可进一步扩展到两电平 B6 拓扑控制。
图6. PFC 与电机驱动软件算法参考架构
5. 面向 HVAC 与风机系统的完整调试覆盖
为了更好匹配实际应用需求，该方案覆盖了压缩机、风机和 Vienna 整流器的多项关键测试。
压缩机调试重点包括：
表3. HVAC系统测试项
结语：从单点控制走向系统级协同
随着热泵、大功率 HVAC、储能和数据中心风机市场的发展，电机驱动系统已经不再只是“把电机转起来”这么简单。
未来的系统方案，需要同时解决效率、谐波、功率密度、可靠性、开发周期和多负载协同控制等问题。
基于单颗 MCU 的数字 Vienna PFC + 多电机控制方案，正是面向这一趋势的系统级解决方案。
它通过更高集成度的硬件、更灵活的软件算法和更完整的测试覆盖，帮助客户在满足严格谐波要求的同时，加快产品开发和系统落地。
对于正在开发热泵、HVAC、EC 风机或类似大功率电机驱动系统的客户来说，这类方案值得重点关注。
来源：英飞凌工业半导体
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