變頻空調(diào)中功率因數(shù)校正的控制電路設(shè)計(jì)

摘　要：利用雙閉環(huán)控制原理設(shè)計(jì)了較大功率交流/直流變頻空調(diào)的一種有源功率因數(shù)校正（APFC）方案。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明前級PFC環(huán)節(jié)輸出電壓紋波大大降低，輸入電流交越失真大為改善，滿足了"3C認(rèn)證"中EMC認(rèn)證要求，最后給出了部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

關(guān)鍵字：平均電流控制，有源功率因數(shù)校正，變頻空調(diào)，3C認(rèn)證

Abstract： An active power factor control (APFC) scheme for high power AC and DC inverter air conditioner is implemented with BOOST CCM averaged current mode control. Its voltage loop and current loop control circuit is mainly designed. Experimental results prove that the output ripple voltage is reduced and the input current crossover distortion is restrained greatly, which meet the EMC conditions in the "China Compulsory Certification". Finally, some experimental waves are also given as proofs.

Keywords：Average Current Control , APFC，Inverter AirCON，3C Certification

1 引言

　　目前市場上銷售的交流、直流變頻空調(diào)中，其功率前級一般都采用二極管全橋整流方式，造成電網(wǎng)諧波污染，功率因數(shù)下降，而且產(chǎn)生很強(qiáng)的EMI，對電網(wǎng)和其他用電設(shè)備的安全運(yùn)行造成潛在危害。由于變頻空調(diào)的使用量大面廣，其危害更加嚴(yán)重，而且也不符合家用電器出口標(biāo)準(zhǔn)。鑒于我國加入世界貿(mào)易組織，國產(chǎn)家電產(chǎn)品將面臨入世的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。為獲得與國外同類產(chǎn)品同等的市場競爭地位，國家認(rèn)監(jiān)委決定在2003年5月1日以后對家電產(chǎn)品強(qiáng)制執(zhí)行"3C認(rèn)證"標(biāo)準(zhǔn)。這些都迫切需要可產(chǎn)品化的諧波抑制和功率因數(shù)校正方案。隨著微電子和電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，用于功率因數(shù)校正（PFC）的專用芯片已經(jīng)相當(dāng)成熟。本文基于BOOST電路拓?fù)?，以UC3854BN為PFC控制核心，著重分析了如何配置其電壓環(huán)和電流環(huán)參數(shù)，并將該電路應(yīng)用于變頻空調(diào)中去實(shí)現(xiàn)其功率因數(shù)校正，使各次諧波電流含量均滿足"3C認(rèn)證"的EMC標(biāo)準(zhǔn)。

2 雙閉環(huán)設(shè)計(jì)原理

2．1 APFC變頻空調(diào)的優(yōu)點(diǎn) 對于未采取功率因數(shù)校正的變頻空調(diào)功率電路中，其AC/DC環(huán)節(jié)采用不可控全橋整流方式，結(jié)果向電網(wǎng)注入了高含量的諧波電流，帶來了許多危害。

　　因此有必要對其AC/DC環(huán)節(jié)進(jìn)行功率因數(shù)校正。采用APFC后，可將變頻空調(diào)向電網(wǎng)注入的諧波電流含量限制在最低水平，功率因數(shù)接近于1，能夠大大提高電網(wǎng)利用率。采用BOOST 方案進(jìn)行功率因數(shù)校正的變頻空調(diào)的功率級電路拓?fù)湟妶D1。

　　采用連續(xù)電流模式控制、平均電流控制方式的BOOST方案來實(shí)現(xiàn)PFC具有很多優(yōu)點(diǎn)：（1）輸入電流連續(xù)，EMI??；（2）輸入電流與輸出功率范圍寬；（3）結(jié)構(gòu)簡單，控制器容易實(shí)現(xiàn)。其基本控制結(jié)構(gòu)見圖2

2．2 雙閉環(huán)的設(shè)計(jì) APFC電路需要引入電壓和電流雙閉環(huán)反饋，其目的是實(shí)現(xiàn)整流與穩(wěn)壓功能，得到較高功率因數(shù)。電壓環(huán)（外環(huán)）穩(wěn)定輸出電壓，電流環(huán)(內(nèi)環(huán))使輸入電流很好地跟蹤輸入電壓波形。其原理描述如下： （1）通過檢測整流后的輸入電壓（ Iac）與輸出直流電壓（ Vsense）來實(shí)時調(diào)整功率開關(guān)的占空比， 使輸出電壓保持穩(wěn)定。（2）電流環(huán)的設(shè)計(jì)是PFC電路設(shè)計(jì)的核心。輸入整流電壓（Iac）、輸出電壓誤差放大器輸出（Vea）和前饋電壓（Vff）通過片內(nèi)乘法器后形成基準(zhǔn)電流信號，采樣到的電感電流與該基準(zhǔn)電流進(jìn)行比較后，其高頻分量（開關(guān)頻率20kHz）進(jìn)入電流誤差放大器進(jìn)行補(bǔ)償、平均化處理和放大，得到的平均電流誤差與鋸齒波相比較決定功率開關(guān)的占空比，使占空比的變化遵循正弦規(guī)律，結(jié)果電感電流能夠跟隨基準(zhǔn)電流，功率因數(shù)得以提高。

2.2.1 輸入電流中的三次諧波分析 三次諧波抑制是控制器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。PFC控制芯片是通過乘法器的編程來得到電流基準(zhǔn)信號（Imult）的，輸入電流IL主要取決于基準(zhǔn)電流，因此，分析輸入電流的諧波失真可轉(zhuǎn)化為分析乘法器輸出電流Imult的諧波。對于UC3854BN[1,2]：

 　　?。?）

　　經(jīng)過推導(dǎo)得：

　　其中，A1表示前饋電壓二次諧波含量，A2表示電壓誤差放大器輸出電壓紋波含量。由式（2）可知消除輸入電流中的三次諧波關(guān)鍵在于前饋電壓濾波環(huán)節(jié)和電壓誤差放大器補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)設(shè)計(jì)。

2.2.2 電壓環(huán)設(shè)計(jì)

A . 前饋電壓濾波環(huán)節(jié)設(shè)計(jì) 該環(huán)節(jié)如圖2所示。因?yàn)槿珮蛘骱筝敵鲭妷汉屑s66％的二次諧波，且前饋電壓濾波環(huán)節(jié)要求瞬態(tài)響應(yīng)要快，所以設(shè)計(jì)時二次諧波衰減和快響應(yīng)速度要綜合考慮。采用雙極點(diǎn)濾波（兩極點(diǎn)頻率相同）正是折衷考慮了二者關(guān)系，另外這樣設(shè)計(jì)使得輸入電流與輸入電壓同相位。

B . 電壓誤差放大器補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)計(jì) BOOST電路輸出部分的低頻響應(yīng)表現(xiàn)為電流源驅(qū)動輸出電容的一階電路，其中該電流源由功率部分和電流反饋環(huán)組成。為工作穩(wěn)定，電壓環(huán)必須進(jìn)行補(bǔ)償，其目的是保持輸出電壓穩(wěn)定且高于輸入電壓峰值和減小輸入電流畸變。為兼顧二者，必須綜合考慮電壓補(bǔ)償?shù)膸捙c相位裕量。電壓誤差放大器采用PI調(diào)節(jié)方式（如圖2），輸出電壓上的二次紋波經(jīng)PI調(diào)節(jié)器后得到衰減，由此可以算出電壓放大器的二次諧波增益，由該增益值可以算出電壓放大器的補(bǔ)償電容。通過設(shè)定整個電壓環(huán)增益為1來算出電壓誤差放大器的極點(diǎn)頻率fp（fp是電壓回路的單位增益頻率)，再由該極點(diǎn)頻率算出補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的電阻Rvf。

2.2.3 電流環(huán)參數(shù)設(shè)計(jì) 電流環(huán)的設(shè)計(jì)是使平均電感電流有較好的動態(tài)跟蹤能力。電流環(huán)一般由電流誤差放大器、PWM調(diào)制器和功率轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)見圖3。

　　由電流放大器CA構(gòu)成一個PI調(diào)節(jié)器（見圖2）。該電流調(diào)節(jié)器具有兩個極點(diǎn)和一個零點(diǎn)的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，其傳遞函數(shù)為

　　PFC芯片內(nèi)部規(guī)定傳遞函數(shù)Gpwm（s）和Gps（s），則電流環(huán)總的開環(huán)傳遞函數(shù)為

 　?。?）

　　可見，它是一個二階無差系統(tǒng)，可以無差地跟蹤正弦波輸入函數(shù)，從而使輸出電流Il無差地跟蹤Imult的波形。主要是通過調(diào)整電流調(diào)節(jié)器的三個參數(shù) ， ， 來確保電流環(huán)具有較高的低頻增益、較寬的中頻帶寬、合理的穩(wěn)定裕量和較強(qiáng)的開關(guān)紋波抑制能力的。 將補(bǔ)償零點(diǎn) 放在主電路的交越頻率上或低于交越頻率處，補(bǔ)償極點(diǎn) 放在高于二分之一開關(guān)頻率處。這樣可以盡量抑制開關(guān)電流紋波，增大相位裕量，增強(qiáng)系統(tǒng)的暫態(tài)性能；電流環(huán)的直流增益受R1和 控制。增大電流環(huán)的直流增益可以提高其穿越頻率 ，但紋波會隨著 的提高增大，所以應(yīng)限制在小于1/2開關(guān)頻率附近。

2．3試驗(yàn)參數(shù)及優(yōu)化 根據(jù)上述雙閉環(huán)設(shè)計(jì)方法，以UC3854BN為控制芯片設(shè)計(jì)了最大輸出功率達(dá)2.5kW的APFC方案。其中，輸入電壓范圍Vin=150~270VAC，輸出直流電壓Vo=400VDC，開關(guān)頻率22kHz，升壓電感L1＝0.75mH，輸出端電容Co=2*330uF。得到了電壓環(huán)和電流環(huán)主要參數(shù)：Rff1=810k，Rff2=43k，Rff3=10k，Cff1=22F，Cff2=1uF，Cvf=36k，Rvf=0.33uF，Rmo=Rci=810Ω，Rcz=16k，Ccz=3000pF，Ccp=470pF。

　　使用上述參數(shù)配置的雙閉環(huán)進(jìn)行試驗(yàn)時發(fā)現(xiàn)以下問題：（1）系統(tǒng)的帶負(fù)載能力較差，表現(xiàn)為隨著負(fù)載的增大，輸出電壓下降幅度過大，嚴(yán)重時使系統(tǒng)進(jìn)入自然整流狀態(tài)；（2）負(fù)載大時輸入電流交越失真比較明顯，波形正弦度降低，使得個別低次諧波電流含量增加。這說明原理性計(jì)算與實(shí)際參數(shù)配置存在者差距，必須進(jìn)行某些參數(shù)調(diào)整，通過多次試驗(yàn)調(diào)整方法總結(jié)如下：

　　提高系統(tǒng)的帶負(fù)載能力：一是在不改變前饋電壓濾波效果的前提下，適當(dāng)減小前饋分壓值Vff（選擇通過增大Rff1來實(shí)現(xiàn)）；二是適當(dāng)減小輸入電壓采樣電阻Rac的取值。

　　減少輸入電流交越失真：（1）適當(dāng)減小Ccp，以增大相位裕量，提高穿越頻率，但不宜過分減小，否則會導(dǎo)致系統(tǒng)抑制電流紋波的能力下降；（2）增大Rcz來提高相位裕量，增大穿越頻率，但同時減小了增益裕量。Ccp的減小和Rcz的增大應(yīng)綜合考慮。

　　按上述方法重新調(diào)整個別元件參數(shù),結(jié)果獲得了更好的校正效果，降低了輸出電壓紋波，減小了輸入電流交越失真。

3 試驗(yàn)結(jié)果 在實(shí)驗(yàn)室對參數(shù)調(diào)整前后的PFC變頻空調(diào)進(jìn)行了性能測試，輸入電壓范圍為150~270VAC，輸出功率范圍達(dá)到2.5kW以上。下面給出關(guān)于輸入電流與輸出紋波電壓的部分實(shí)驗(yàn)波形。

　　由圖4(a)與圖4(b)可以看出，參數(shù)調(diào)整后的輸入電流較調(diào)整前交越失真得到明顯改善，總的諧波失真度小于5%，這說明參數(shù)調(diào)整比較理想；由圖6表明輸出平均電壓375VDC時最大紋波電壓為16VDC，紋波電壓小于5％；圖7為參數(shù)調(diào)整后輸入電壓230VAC、輸入電流9.61A時輸入電流的頻譜分析，經(jīng)過測量，各次諧波電流含量均滿足EMC認(rèn)證要求。

　　實(shí)驗(yàn)中還實(shí)驗(yàn)了更大的輸入功率，上述參數(shù)配置仍能夠支持良好的校正效果，表現(xiàn)在輸入電流波形系數(shù)很好，功率因數(shù)達(dá)到0.99以上，輸出直流電壓紋波小于8%。

4 結(jié)論 基于雙閉環(huán)設(shè)計(jì)原理來實(shí)現(xiàn)變頻空調(diào)的有源功率因數(shù)校正，可以得到很好的功能實(shí)現(xiàn)。以UC3854BN為例的APFC電路使變頻空調(diào)向電網(wǎng)注入的諧波電流大大降低，輸入功率因數(shù)達(dá)到0.99以上，并且符合國家"3C認(rèn)證"關(guān)于諧波電流限值的要求。該設(shè)計(jì)原理同樣也適用于其他同類型PFC控制芯片的電路實(shí)現(xiàn)，具有比較廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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[2] 張占松，蔡宣三. 開關(guān)電源的原理和設(shè)計(jì)，電子工業(yè)出版社，1998年