一種空調用新型PFC的設計

0 引言

　　近年來(lái)，隨著(zhù)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(wú)功功率對電網(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，而且可對公共電力系統造成污染，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(kāi)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(jìn)入市場(chǎng)。目前采用有源功率因數校正(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型功率因數校正方式設計的新型空調用PFC設計方案。

　　1 功率因數校正的基本方法

　　功率因數校正方法可分為無(wú)源功率因數校正和有源功率因數校正。無(wú)源功率因數校正結構簡(jiǎn)單，便于實(shí)現，但校正后的功率因數不高。有源功率因數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，從而使功率因數接近1。有源功率因數校正結構復雜，但校正效果較好。是目前應用較廣泛的功率因數校正方法。按照電路結構，有源功率因數校正可以分為降壓式、升／降壓式、反激式，以及升壓式(Boost)。升壓式拓撲結構采用簡(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，輸入電流是連續的，同時(shí)開(kāi)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架構的PFC電路。

　　2 電路設計

　　目前越來(lái)越多地采用變頻技術(shù)來(lái)控制空調的運行，這使功率因數校正的要求就更具有現實(shí)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(guò)整流濾波后得到比較穩定的直流電源，然后采用PWM技術(shù)斬波輸出可調頻率和幅值的正弦波，從而達到方便的變頻調速控制和節能控制之目的。

　　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(lái)產(chǎn)生基準電流信號并進(jìn)行比較，以便為開(kāi)關(guān)管提供PWM信號。PFC電路實(shí)質(zhì)上是一個(gè)非線(xiàn)性——周期時(shí)變的開(kāi)關(guān)系統。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制：一種是正弦脈寬調制，另一種是幅度調制。這兩種調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))可穩定輸出電壓信號，電流環(huán)(內環(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)行功率因數校正。電壓環(huán)沒(méi)計是對輸出直流電壓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(guò)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(jìn)行比較，并通過(guò)電流誤差放大器進(jìn)行處理，然后將產(chǎn)生的信號電壓與鋸齒波相比較來(lái)決定功率開(kāi)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。

　　本系統的控制電路結構大致可分為IGBT斬波控制電路、電壓過(guò)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中的功率因數校正控制器需要長(cháng)時(shí)間工作在大功率工況下。而且當功率較大時(shí)，傳統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(huì )影響系統的穩定性。因此，為了有效提高功率因數，降低對元器件的要求及減小元器件損耗，本設計在傳統APFC基礎上進(jìn)行了改進(jìn)，從而避開(kāi)了電流高峰，即采用了每個(gè)電壓周期中部分斬波的斬波控制方式。相對于整個(gè)周期內全部斬波的APFC控制方式來(lái)說(shuō)，采用此種新型斬波方式會(huì )在一定程度上降低功率因數校正效果，不利于高次諧波的抑制，但由于電器產(chǎn)品化過(guò)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成本達到最佳的結合。本設計中IGBT的開(kāi)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(kāi)關(guān)損耗的同時(shí)，使功率因數校正及諧波抑制都達到一個(gè)較好的效果，根據交流輸入電壓以及輸出電壓和負載變化來(lái)選擇合適的開(kāi)關(guān)時(shí)序就成了一個(gè)系統電路設計的關(guān)鍵。通過(guò)多次的仿真及試驗研究，本系統采用了對輸入交流電壓及輸出直流電壓幅值進(jìn)行比較來(lái)對斬波時(shí)序進(jìn)行控制的設計方法。

　　圖2所示是用PSPICE9.1進(jìn)行的仿真波形。由圖可見(jiàn)，只要設定合適的電路參數，那么，當電源交流輸入電壓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(guò)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(guò)比較器進(jìn)行比較。當輸入交流電壓Ui幅值大于輸出直流電壓Uo時(shí)，可通過(guò)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(shí)，斬波重新開(kāi)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(kāi)關(guān)器件停止斬波。

　　2.2 電壓過(guò)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(shí)必須進(jìn)行輸入電壓過(guò)零檢測。在圖1中，就是通過(guò)Rl、R2進(jìn)行電壓檢測并將信號輸入到三極管T1，當輸入電壓經(jīng)過(guò)過(guò)零點(diǎn)時(shí)，三極管導通，該環(huán)節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(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，由CPU通過(guò)該電平轉換信號對電流進(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

　　由于本系統中的IGBT斬波時(shí)序要通過(guò)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(guò)電阻R1和R2分壓后對輸入交流電壓瞬時(shí)值進(jìn)行采樣，并輸入CPU進(jìn)行A／D轉換，而直流輸人電壓幅值則通過(guò)電阻R3、R4分壓采樣后再輸入CPU進(jìn)行A／D轉換。

　　2.4 電流采樣電路

　　本設計中采用了較為簡(jiǎn)單的電流采樣電路，并通過(guò)電阻Rac對電流進(jìn)行檢測。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換為小電阻Rac兩端的電壓并被輸入到CPU的A／D轉換口以進(jìn)行電流采樣。

　　3 試驗結果

　　經(jīng)過(guò)該功率因數校正電路的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)行功率因數校正試驗的波彤圖，由圖可見(jiàn)，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(guò)國家喈波標準，控制結果完全符合變頻空調等家電設備的使用要求，有效的降低了元器件要求，提高了系統穩定性。

　　4 結束語(yǔ)

　　本文在分析了傳統PFC的基礎上，提出了一種新的應用于變頻空調產(chǎn)品中的PFC控制方案，并進(jìn)一步對該方案進(jìn)行了仿真及試驗分析，結果證明，在電流高峰時(shí)關(guān)斷開(kāi)關(guān)器件的新型功率因數校正方法可有效降低對開(kāi)關(guān)器件的要求，減少系統損耗，其校正后的PF值達到了0.95以上。