一種空調(diào)用新型PFC的設(shè)計(jì)

0 引言

　　近年來，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)生的電流諧波和無功功率對(duì)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(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(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(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)

　　目前越來越多地采用變頻技術(shù)來控制空調(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)饔孟孪嗷ビ绊懀瑥亩刂齐娏鞑ㄐ胃欕妷翰ㄐ巫兓?/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?。相?duì)于整個(gè)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(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

　　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。