一種空調(diào)用新型PFC的設(shè)計(jì)

0 引言

　　近年來(lái)，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，各種電子設(shè)備、家用電器可能產(chǎn)生的電流諧波和無(wú)功功率對(duì)電網(wǎng)的污染也越來(lái)越引起人們的重視。諧波的存在，不僅大大降低了輸入電路的功率因數(shù)，而且可對(duì)公共電力系統(tǒng)造成污染，引發(fā)電路故障。為了抑制電網(wǎng)諧波，減少電流污染，國(guó)際上開始以立法的形式限制高次諧波，中國(guó)也頒布了相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，電器產(chǎn)品只有符合相應(yīng)的諧波標(biāo)準(zhǔn)才可以進(jìn)入市場(chǎng)。目前采用有源功率因數(shù)校正(APFC)電路的整流器已經(jīng)成為抑制諧波的主流方法。為此，本文給出了在平均電流技術(shù)控制下，以Boost型功率因數(shù)校正方式設(shè)計(jì)的新型空調(diào)用PFC設(shè)計(jì)方案。

　　1 功率因數(shù)校正的基本方法

　　功率因數(shù)校正方法可分為無(wú)源功率因數(shù)校正和有源功率因數(shù)校正。無(wú)源功率因數(shù)校正結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于實(shí)現(xiàn)，但校正后的功率因數(shù)不高。有源功率因數(shù)校正是在橋式整流器與輸出電容濾波之間加入一個(gè)功率變換器，以將輸入電流校正成為與輸入電壓同相位且不失真的正弦波，從而使功率因數(shù)接近1。有源功率因數(shù)校正結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但校正效果較好。是目前應(yīng)用較廣泛的功率因數(shù)校正方法。按照電路結(jié)構(gòu)，有源功率因數(shù)校正可以分為降壓式、升／降壓式、反激式，以及升壓式(Boost)。升壓式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用簡(jiǎn)單電流型控制方法，具有PF值較高，總諧波失真(THD)小等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用最為廣泛。該方法的輸出電壓高于輸入電壓，比較適用于75～2 000 W的場(chǎng)合。按照輸入電流的控制原理，有源功率因數(shù)校正又可以分為平均電流型、滯后電流型、峰值電流型，以及電壓控制型。其中，平均電流型控制的工作頻率是固定的，輸入電流是連續(xù)的，同時(shí)開關(guān)管電流的有效值比較小，因此比較適用于中等功率和較大功率的場(chǎng)合。雖然其控制電路較為復(fù)雜，但仍然得到了廣泛應(yīng)用。本文采用的就是平均電流控制型boost架構(gòu)的PFC電路。

　　2 電路設(shè)計(jì)

　　目前越來(lái)越多地采用變頻技術(shù)來(lái)控制空調(diào)的運(yùn)行，這使功率因數(shù)校正的要求就更具有現(xiàn)實(shí)意義。應(yīng)用比較廣泛的變頻技術(shù)是將電網(wǎng)提供的電源經(jīng)過整流濾波后得到比較穩(wěn)定的直流電源，然后采用PWM技術(shù)斬波輸出可調(diào)頻率和幅值的正弦波，從而達(dá)到方便的變頻調(diào)速控制和節(jié)能控制之目的。

　　圖1所示為采用平均電流控制的boost型電路原理圖，該電路由整流橋輸出電壓檢測(cè)信號(hào)和電壓誤差放大器輸出信號(hào)的乘積來(lái)產(chǎn)生基準(zhǔn)電流信號(hào)并進(jìn)行比較，以便為開關(guān)管提供PWM信號(hào)。PFC電路實(shí)質(zhì)上是一個(gè)非線性——周期時(shí)變的開關(guān)系統(tǒng)。首先，它的輸人是一個(gè)全波整流波形；其次，這種電路包含兩種調(diào)制：一種是正弦脈寬調(diào)制，另一種是幅度調(diào)制。這兩種調(diào)制在負(fù)反饋?zhàn)饔孟孪嗷ビ绊?，從而控制電流波形跟蹤電壓波形變化?/p>

　　該電路采用電壓和電流雙閉環(huán)反饋設(shè)計(jì)，電壓環(huán)(外環(huán))可穩(wěn)定輸出電壓信號(hào)，電流環(huán)(內(nèi)環(huán))則可使輸入電流很好地跟蹤輸入電壓波形，以便更好的進(jìn)行功率因數(shù)校正。電壓環(huán)沒計(jì)是對(duì)輸出直流電壓Uo與參考電壓Vref進(jìn)行比較，并將產(chǎn)生的電壓反饋信號(hào)輸入到乘法器。電流環(huán)設(shè)計(jì)則是將電壓誤差放大器及整流后的直流電壓Ud通過乘法器產(chǎn)生電流基準(zhǔn)信號(hào)，再將采樣得到的電感電流Iac與該基準(zhǔn)電流進(jìn)行比較，并通過電流誤差放大器進(jìn)行處理，然后將產(chǎn)生的信號(hào)電壓與鋸齒波相比較來(lái)決定功率開關(guān)的通斷以及占空比，最終使電感電流能夠跟隨基準(zhǔn)電流，從而有效提高功率因數(shù)。

　　本系統(tǒng)的控制電路結(jié)構(gòu)大致可分為IGBT斬波控制電路、電壓過零檢測(cè)電路、電壓幅值采樣電路、電流采樣電路等幾部分。

　　2.1 IGBT斬波控制

　　由于應(yīng)用于變頻空調(diào)中的功率因數(shù)校正控制器需要長(zhǎng)時(shí)間工作在大功率工況下。而且當(dāng)功率較大時(shí)，傳統(tǒng)APFC功率器件要承受較大的電流應(yīng)力，從而造成器件選型困難，使產(chǎn)品成本增加，并會(huì)影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，為了有效提高功率因數(shù)，降低對(duì)元器件的要求及減小元器件損耗，本設(shè)計(jì)在傳統(tǒng)APFC基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，從而避開了電流高峰，即采用了每個(gè)電壓周期中部分?jǐn)夭ǖ臄夭刂品绞健Ｏ鄬?duì)于整個(gè)周期內(nèi)全部斬波的APFC控制方式來(lái)說，采用此種新型斬波方式會(huì)在一定程度上降低功率因數(shù)校正效果，不利于高次諧波的抑制，但由于電器產(chǎn)品化過程中需要綜合考慮效率與成本，因此，只要采用合適的斬波時(shí)序進(jìn)行控制，就可以使控制效果與系統(tǒng)成本達(dá)到最佳的結(jié)合。本設(shè)計(jì)中IGBT的開關(guān)頻率選定在16～20 kHz左右。

　　在IGBT斬波控制中，為了能夠在有效降低器件開關(guān)損耗的同時(shí)，使功率因數(shù)校正及諧波抑制都達(dá)到一個(gè)較好的效果，根據(jù)交流輸入電壓以及輸出電壓和負(fù)載變化來(lái)選擇合適的開關(guān)時(shí)序就成了一個(gè)系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。通過多次的仿真及試驗(yàn)研究，本系統(tǒng)采用了對(duì)輸入交流電壓及輸出直流電壓幅值進(jìn)行比較來(lái)對(duì)斬波時(shí)序進(jìn)行控制的設(shè)計(jì)方法。

　　圖2所示是用PSPICE9.1進(jìn)行的仿真波形。由圖可見，只要設(shè)定合適的電路參數(shù)，那么，當(dāng)電源交流輸入電壓Ui為220 V時(shí)，直流輸出電壓Uo在290 V左右略有波動(dòng)。因此可通過電壓幅值采樣電路來(lái)取得交流輸入電壓和直流輸出電壓幅值，然后通過比較器進(jìn)行比較。當(dāng)輸入交流電壓Ui幅值大于輸出直流電壓Uo時(shí)，可通過斬波控制信號(hào)比較器控制IGBT停止斬波，而當(dāng)輸人交流電壓幅值Ui小于輸出直流電壓Uo時(shí)，斬波重新開始。事實(shí)上，輸入電壓在高峰處是大于直流輸出電壓的，故可控制開關(guān)器件停止斬波。

　　2.2 電壓過零檢測(cè)電路

　　為了使輸入電流與輸入電壓保持同相位，設(shè)計(jì)時(shí)必須進(jìn)行輸入電壓過零檢測(cè)。在圖1中，就是通過Rl、R2進(jìn)行電壓檢測(cè)并將信號(hào)輸入到三極管T1，當(dāng)輸入電壓經(jīng)過過零點(diǎn)時(shí)，三極管導(dǎo)通，該環(huán)節(jié)相應(yīng)的輸出口電平將被箝位到零，以便信號(hào)能完全輸入到CPU的中斷口；當(dāng)輸入交流電壓瞬時(shí)值接近零時(shí)，三極管關(guān)斷，電路向CPU中斷口發(fā)出高電平信號(hào)，由CPU通過該電平轉(zhuǎn)換信號(hào)對(duì)電流進(jìn)行控制以使輸入電流能夠跟蹤輸入電壓的變化。

　　2.3 電壓幅值采樣電路

　　由于本系統(tǒng)中的IGBT斬波時(shí)序要通過交流輸入電壓和直流輸出電壓幅值進(jìn)行比較來(lái)進(jìn)行控制，因此，電壓幅值采樣電路在本電路中顯得尤為重要，它將直接影響到功率因數(shù)校正及諧波抑制的效果。電壓幅值檢測(cè)包括輸入交流電壓幅值檢測(cè)和輸出直流電壓幅值檢測(cè)。本設(shè)計(jì)通過電阻R1和R2分壓后對(duì)輸入交流電壓瞬時(shí)值進(jìn)行采樣，并輸入CPU進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，而直流輸人電壓幅值則通過電阻R3、R4分壓采樣后再輸入CPU進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換。

　　2.4 電流采樣電路

　　本設(shè)計(jì)中采用了較為簡(jiǎn)單的電流采樣電路，并通過電阻Rac對(duì)電流進(jìn)行檢測(cè)。與需要進(jìn)行電流采樣時(shí)，需要進(jìn)行采樣的電流將在外電路被轉(zhuǎn)換為小電阻Rac兩端的電壓并被輸入到CPU的A／D轉(zhuǎn)換口以進(jìn)行電流采樣。

　　3 試驗(yàn)結(jié)果

　　經(jīng)過該功率因數(shù)校正電路的PWM斬波控制后，電路中的輸入電流基本能夠跟隨交流輸入電壓的變化，且高次諧波得到了有效抑制。圖3所示為采用本文所述新型平均電流控制的boost型電路進(jìn)行功率因數(shù)校正試驗(yàn)的波彤圖，由圖可見，校正后的波形比校正前更接近正弦波。圖4所示為對(duì)校正結(jié)果的諧波分析圖，由圖4可知，采用本文的設(shè)計(jì)方式后，PF值可以達(dá)到0.95以上，且高次諧波均不超過國(guó)家喈波標(biāo)準(zhǔn)，控制結(jié)果完全符合變頻空調(diào)等家電設(shè)備的使用要求，有效的降低了元器件要求，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。

　　4 結(jié)束語(yǔ)

　　本文在分析了傳統(tǒng)PFC的基礎(chǔ)上，提出了一種新的應(yīng)用于變頻空調(diào)產(chǎn)品中的PFC控制方案，并進(jìn)一步對(duì)該方案進(jìn)行了仿真及試驗(yàn)分析，結(jié)果證明，在電流高峰時(shí)關(guān)斷開關(guān)器件的新型功率因數(shù)校正方法可有效降低對(duì)開關(guān)器件的要求，減少系統(tǒng)損耗，其校正后的PF值達(dá)到了0.95以上。