一種空調(diào)用新型PFC的設計

0 引言

　　近年來，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，各種電子設備、家用電器可能產(chǎn)生的電流諧波和無功功率對電網(wǎng)的污染也越來越引起人們的重視。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，國際上開始以立法的形式限制高次諧波，中國也頒布了相關(guān)的國家標準，電器產(chǎn)品只有符合相應的諧波標準才可以進入市場。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)校正方式設計的新型空調(diào)用PFC設計方案。

　　1 功率因數(shù)校正的基本方法

　　功率因數(shù)校正方法可分為無源功率因數(shù)校正和有源功率因數(shù)校正。無源功率因數(shù)校正結(jié)構(gòu)簡單，便于實現(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)復雜，但校正效果較好。是目前應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)。升壓式拓撲結(jié)構(gòu)采用簡單電流型控制方法，具有PF值較高，總諧波失真(THD)小等優(yōu)點，應用最為廣泛。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合。雖然其控制電路較為復雜，但仍然得到了廣泛應用。本文采用的就是平均電流控制型boost架構(gòu)的PFC電路。

　　2 電路設計

　　目前越來越多地采用變頻技術(shù)來控制空調(diào)的運行，這使功率因數(shù)校正的要求就更具有現(xiàn)實意義。應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信號和電壓誤差放大器輸出信號的乘積來產(chǎn)生基準電流信號并進行比較，以便為開關(guān)管提供PWM信號。PFC電路實質(zhì)上是一個非線性——周期時變的開關(guān)系統(tǒng)。首先，它的輸人是一個全波整流波形；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)制在負反饋作用下相互影響，從而控制電流波形跟蹤電壓波形變化。

　　該電路采用電壓和電流雙閉環(huán)反饋設計，電壓環(huán)(外環(huán))可穩(wěn)定輸出電壓信號，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，以便更好的進行功率因數(shù)校正。電壓環(huán)沒計是對輸出直流電壓Uo與參考電壓Vref進行比較，并將產(chǎn)生的電壓反饋信號輸入到乘法器。電流環(huán)設計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)生電流基準信號，再將采樣得到的電感電流Iac與該基準電流進行比較，并通過電流誤差放大器進行處理，然后將產(chǎn)生的信號電壓與鋸齒波相比較來決定功率開關(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

　　由于應用于變頻空調(diào)中的功率因數(shù)校正控制器需要長時間工作在大功率工況下。而且當功率較大時，傳統(tǒng)APFC功率器件要承受較大的電流應力，從而造成器件選型困難，使產(chǎn)品成本增加，并會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，為了有效提高功率因數(shù)，降低對元器件的要求及減小元器件損耗，本設計在傳統(tǒng)APFC基礎(chǔ)上進行了改進，從而避開了電流高峰，即采用了每個電壓周期中部分斬波的斬波控制方式。相對于整個周期內(nèi)全部斬波的APFC控制方式來說，采用此種新型斬波方式會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序進行控制，就可以使控制效果與系統(tǒng)成本達到最佳的結(jié)合。本設計中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，使功率因數(shù)校正及諧波抑制都達到一個較好的效果，根據(jù)交流輸入電壓以及輸出電壓和負載變化來選擇合適的開關(guān)時序就成了一個系統(tǒng)電路設計的關(guān)鍵。通過多次的仿真及試驗研究，本系統(tǒng)采用了對輸入交流電壓及輸出直流電壓幅值進行比較來對斬波時序進行控制的設計方法。

　　圖2所示是用PSPICE9.1進行的仿真波形。由圖可見，只要設定合適的電路參數(shù)，那么，當電源交流輸入電壓Ui為220 V時，直流輸出電壓Uo在290 V左右略有波動。因此可通過電壓幅值采樣電路來取得交流輸入電壓和直流輸出電壓幅值，然后通過比較器進行比較。當輸入交流電壓Ui幅值大于輸出直流電壓Uo時，可通過斬波控制信號比較器控制IGBT停止斬波，而當輸人交流電壓幅值Ui小于輸出直流電壓Uo時，斬波重新開始。事實上，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 電壓過零檢測電路

　　為了使輸入電流與輸入電壓保持同相位，設計時必須進行輸入電壓過零檢測。在圖1中，就是通過Rl、R2進行電壓檢測并將信號輸入到三極管T1，當輸入電壓經(jīng)過過零點時，三極管導通，該環(huán)節(jié)相應的輸出口電平將被箝位到零，以便信號能完全輸入到CPU的中斷口；當輸入交流電壓瞬時值接近零時，三極管關(guān)斷，電路向CPU中斷口發(fā)出高電平信號，由CPU通過該電平轉(zhuǎn)換信號對電流進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斬波時序要通過交流輸入電壓和直流輸出電壓幅值進行比較來進行控制，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。電壓幅值檢測包括輸入交流電壓幅值檢測和輸出直流電壓幅值檢測。本設計通過電阻R1和R2分壓后對輸入交流電壓瞬時值進行采樣，并輸入CPU進行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進行A／D轉(zhuǎn)換。

　　2.4 電流采樣電路

　　本設計中采用了較為簡單的電流采樣電路，并通過電阻Rac對電流進行檢測。與需要進行電流采樣時，需要進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)換口以進行電流采樣。

　　3 試驗結(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型電路進行功率因數(shù)校正試驗的波彤圖，由圖可見，校正后的波形比校正前更接近正弦波。圖4所示為對校正結(jié)果的諧波分析圖，由圖4可知，采用本文的設計方式后，PF值可以達到0.95以上，且高次諧波均不超過國家喈波標準，控制結(jié)果完全符合變頻空調(diào)等家電設備的使用要求，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

　　本文在分析了傳統(tǒng)PFC的基礎(chǔ)上，提出了一種新的應用于變頻空調(diào)產(chǎn)品中的PFC控制方案，并進一步對該方案進行了仿真及試驗分析，結(jié)果證明，在電流高峰時關(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開關(guān)器件的要求，減少系統(tǒng)損耗，其校正后的PF值達到了0.95以上。