變頻空調中功率因數校正的控制電路設計

摘　要：利用雙閉環(huán)控制原理設計了較大功率交流/直流變頻空調的一種有源功率因數校正（APFC）方案。實(shí)驗結果表明前級PFC環(huán)節輸出電壓紋波大大降低，輸入電流交越失真大為改善，滿(mǎn)足了"3C認證"中EMC認證要求，最后給出了部分實(shí)驗結果。

關(guān)鍵字：平均電流控制，有源功率因數校正，變頻空調，3C認證

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(chǎng)上銷(xiāo)售的交流、直流變頻空調中，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，功率因數下降，而且產(chǎn)生很強的EMI，對電網(wǎng)和其他用電設備的安全運行造成潛在危害。由于變頻空調的使用量大面廣，其危害更加嚴重，而且也不符合家用電器出口標準。鑒于我國加入世界貿易組織，國產(chǎn)家電產(chǎn)品將面臨入世的嚴峻挑戰。為獲得與國外同類(lèi)產(chǎn)品同等的市場(chǎng)競爭地位，國家認監委決定在2003年5月1日以后對家電產(chǎn)品強制執行"3C認證"標準。這些都迫切需要可產(chǎn)品化的諧波抑制和功率因數校正方案。隨著(zhù)微電子和電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，用于功率因數校正（PFC）的專(zhuān)用芯片已經(jīng)相當成熟。本文基于BOOST電路拓撲，以UC3854BN為PFC控制核心，著(zhù)重分析了如何配置其電壓環(huán)和電流環(huán)參數，并將該電路應用于變頻空調中去實(shí)現其功率因數校正，使各次諧波電流含量均滿(mǎn)足"3C認證"的EMC標準。

2 雙閉環(huán)設計原理

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

　　因此有必要對其AC/DC環(huán)節進(jìn)行功率因數校正。采用APFC后，可將變頻空調向電網(wǎng)注入的諧波電流含量限制在最低水平，功率因數接近于1，能夠大大提高電網(wǎng)利用率。采用BOOST 方案進(jìn)行功率因數校正的變頻空調的功率級電路拓撲見(jiàn)圖1。

　　采用連續電流模式控制、平均電流控制方式的BOOST方案來(lái)實(shí)現PFC具有很多優(yōu)點(diǎn)：（1）輸入電流連續，EMI??；（2）輸入電流與輸出功率范圍寬；（3）結構簡(jiǎn)單，控制器容易實(shí)現。其基本控制結構見(jiàn)圖2

2．2 雙閉環(huán)的設計 APFC電路需要引入電壓和電流雙閉環(huán)反饋，其目的是實(shí)現整流與穩壓功能，得到較高功率因數。電壓環(huán)（外環(huán)）穩定輸出電壓，電流環(huán)(內環(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(guò)檢測整流后的輸入電壓（ Iac）與輸出直流電壓（ Vsense）來(lái)實(shí)時(shí)調整功率開(kāi)關(guān)的占空比， 使輸出電壓保持穩定。（2）電流環(huán)的設計是PFC電路設計的核心。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(guò)片內乘法器后形成基準電流信號，采樣到的電感電流與該基準電流進(jìn)行比較后，其高頻分量（開(kāi)關(guān)頻率20kHz）進(jìn)入電流誤差放大器進(jìn)行補償、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(kāi)關(guān)的占空比，使占空比的變化遵循正弦規律，結果電感電流能夠跟隨基準電流，功率因數得以提高。

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計的關(guān)鍵。PFC控制芯片是通過(guò)乘法器的編程來(lái)得到電流基準信號（Imult）的，輸入電流IL主要取決于基準電流，因此，分析輸入電流的諧波失真可轉化為分析乘法器輸出電流Imult的諧波。對于UC3854BN[1,2]：

 　　?。?）

　　經(jīng)過(guò)推導得：

　　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)節和電壓誤差放大器補償網(wǎng)絡(luò )的參數設計。

2.2.2 電壓環(huán)設計

A . 前饋電壓濾波環(huán)節設計 該環(huán)節如圖2所示。因為全橋整流后輸出電壓含有約66％的二次諧波，且前饋電壓濾波環(huán)節要求瞬態(tài)響應要快，所以設計時(shí)二次諧波衰減和快響應速度要綜合考慮。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，另外這樣設計使得輸入電流與輸入電壓同相位。

B . 電壓誤差放大器補償網(wǎng)絡(luò )參數設計 BOOST電路輸出部分的低頻響應表現為電流源驅動(dòng)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。為工作穩定，電壓環(huán)必須進(jìn)行補償，其目的是保持輸出電壓穩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償的帶寬與相位裕量。電壓誤差放大器采用PI調節方式（如圖2），輸出電壓上的二次紋波經(jīng)PI調節器后得到衰減，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償電容。通過(guò)設定整個(gè)電壓環(huán)增益為1來(lái)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)頻率算出補償網(wǎng)絡(luò )的電阻Rvf。

2.2.3 電流環(huán)參數設計 電流環(huán)的設計是使平均電感電流有較好的動(dòng)態(tài)跟蹤能力。電流環(huán)一般由電流誤差放大器、PWM調制器和功率轉換電路構成，其結構見(jiàn)圖3。

　　由電流放大器CA構成一個(gè)PI調節器（見(jiàn)圖2）。該電流調節器具有兩個(gè)極點(diǎn)和一個(gè)零點(diǎn)的補償網(wǎng)絡(luò )，其傳遞函數為

　　PFC芯片內部規定傳遞函數Gpwm（s）和Gps（s），則電流環(huán)總的開(kāi)環(huán)傳遞函數為

 　?。?）

　　可見(jiàn)，它是一個(gè)二階無(wú)差系統，可以無(wú)差地跟蹤正弦波輸入函數，從而使輸出電流Il無(wú)差地跟蹤Imult的波形。主要是通過(guò)調整電流調節器的三個(gè)參數 ， ， 來(lái)確保電流環(huán)具有較高的低頻增益、較寬的中頻帶寬、合理的穩定裕量和較強的開(kāi)關(guān)紋波抑制能力的。 將補償零點(diǎn) 放在主電路的交越頻率上或低于交越頻率處，補償極點(diǎn) 放在高于二分之一開(kāi)關(guān)頻率處。這樣可以盡量抑制開(kāi)關(guān)電流紋波，增大相位裕量，增強系統的暫態(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(huì )隨著(zhù) 的提高增大，所以應限制在小于1/2開(kāi)關(guān)頻率附近。

2．3試驗參數及優(yōu)化 根據上述雙閉環(huán)設計方法，以UC3854BN為控制芯片設計了最大輸出功率達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(kāi)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：Rff1=810k，Rff2=43k，Rff3=10k，Cff1=22F，Cff2=1uF，Cvf=36k，Rvf=0.33uF，Rmo=Rci=810Ω，Rcz=16k，Ccz=3000pF，Ccp=470pF。

　　使用上述參數配置的雙閉環(huán)進(jìn)行試驗時(shí)發(fā)現以下問(wèn)題：（1）系統的帶負載能力較差，表現為隨著(zhù)負載的增大，輸出電壓下降幅度過(guò)大，嚴重時(shí)使系統進(jìn)入自然整流狀態(tài)；（2）負載大時(shí)輸入電流交越失真比較明顯，波形正弦度降低，使得個(gè)別低次諧波電流含量增加。這說(shuō)明原理性計算與實(shí)際參數配置存在者差距，必須進(jìn)行某些參數調整，通過(guò)多次試驗調整方法總結如下：

　　提高系統的帶負載能力：一是在不改變前饋電壓濾波效果的前提下，適當減小前饋分壓值Vff（選擇通過(guò)增大Rff1來(lái)實(shí)現）；二是適當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）適當減小Ccp，以增大相位裕量，提高穿越頻率，但不宜過(guò)分減小，否則會(huì )導致系統抑制電流紋波的能力下降；（2）增大Rcz來(lái)提高相位裕量，增大穿越頻率，但同時(shí)減小了增益裕量。Ccp的減小和Rcz的增大應綜合考慮。

　　按上述方法重新調整個(gè)別元件參數,結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 試驗結果 在實(shí)驗室對參數調整前后的PFC變頻空調進(jìn)行了性能測試，輸入電壓范圍為150~270VAC，輸出功率范圍達到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)驗波形。

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

　　實(shí)驗中還實(shí)驗了更大的輸入功率，上述參數配置仍能夠支持良好的校正效果，表現在輸入電流波形系數很好，功率因數達到0.99以上，輸出直流電壓紋波小于8%。

4 結論 基于雙閉環(huán)設計原理來(lái)實(shí)現變頻空調的有源功率因數校正，可以得到很好的功能實(shí)現。以UC3854BN為例的APFC電路使變頻空調向電網(wǎng)注入的諧波電流大大降低，輸入功率因數達到0.99以上，并且符合國家"3C認證"關(guān)于諧波電流限值的要求。該設計原理同樣也適用于其他同類(lèi)型PFC控制芯片的電路實(shí)現，具有比較廣泛的應用價(jià)值。

參考文獻

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