一種空調(diào)用新型PFC的設(shè)計(jì)

一種空調(diào)用新型PFC的設(shè)計(jì)崔翠鄒金惠昆明理工大學(xué)弓I言：近年來，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，各種電子設(shè)備，家用電器等被大量應(yīng)用到日常生活和工作中，空調(diào)設(shè)備也越來越多的進(jìn)入到家庭。同時(shí)家用電器的使用可能產(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)，而且對公共電力系統(tǒng)造成污染，引發(fā)了電路故障。為了抑制電網(wǎng)諧波，減少電流污染，從1992年開始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。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。本文中介紹了在平均電流技術(shù)控制下的Boost型功率因數(shù)校正方式的基礎(chǔ)上的新型空調(diào)用PFC設(shè)計(jì)。近些年來，國內(nèi)對APFC技術(shù)的實(shí)現(xiàn)主要集中于小功率應(yīng)用場合如小功率開關(guān)電源、鎮(zhèn)流器等，對于較大功率應(yīng)用場合，其產(chǎn)品化比較少，與國外差距很大。同時(shí)，在單相APFC控制器的產(chǎn)品化過程中還有很多亟待解決的問題。為此，本文立足于單相APFC控制器的產(chǎn)品化，研究了傳統(tǒng)的升壓式PFC,并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了一定的改進(jìn)，從理論和實(shí)踐兩個(gè)方面進(jìn)行了一定的研究和討論，并取得了一些有意義的成果。原理及設(shè)計(jì)功率因數(shù)校正的基本原理：非線性電路的功率因數(shù)與電流波形的失真情況有關(guān)，可用畸變因數(shù)(distortionfactor)或總諧波畸變率(TotalHarmonicsDistortion)來衡量電流波形失真情況?；円驍?shù)為：4=, '1 畸變因數(shù)為：4=, '1 :1 \：I2+12H12H\o"CurrentDocument"、1 2 n3n總諧波畸變率(THD)為： THD= —1二者的關(guān)系可表述為：I1—1一1 <1+THD2功率因數(shù)定義為畸變因數(shù)與位移因數(shù)的乘積(PF):PF=cos中尺1+THD2=cos中/Y(1-2)(1-1)(1-3)(1-4)其中Y表示波形系數(shù)，cos中表示位移因數(shù)。功率因數(shù)的基本原理，就是通過電路方法采取措施，設(shè)法抑制輸入電流中的諧波分量，使電源輸入電流實(shí)現(xiàn)正弦化，并與輸入電壓保持同相位，以解決由此類AC/DC變換裝置所引起的諧波污染。正弦化就是使其他諧波為零，即Y=1;同相位是使cos中=1即中=0o⑴。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，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，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，是目前較廣泛應(yīng)用的功率因數(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。其輸出電壓高于輸入電壓，適用于75?2000W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固定，輸入電流連續(xù)，開關(guān)管電流的有效值較小，比較適用于中等功率和較大功率的場合，雖然其控制電路較復(fù)雜，仍然得到了廣泛應(yīng)用。本文中采用的就是平均電流控制的boost架構(gòu)的PFC電路。電路設(shè)計(jì)及分析：目前越來越多的采用變頻技術(shù)來控制空調(diào)的運(yùn)行，這對功率因數(shù)校正的要求就更具有現(xiàn)實(shí)意義。當(dāng)前應(yīng)用較廣泛的變頻技術(shù)是把電網(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)能控制的目的。UiRo■T1-過零檢測電路信號比較器UiRo■T1-過零檢測電路信號比較器圖1平均電流控制的boost型電路原理圖如上圖所示為本文所采用的平均電流控制的boost型電路原理圖，該電路中由整流橋輸出電壓的檢測信號和電壓誤差放大器輸出信號的乘積產(chǎn)生基準(zhǔn)電流信號進(jìn)行比較后，為開關(guān)管提供PWM信號。PFC電路本質(zhì)上是一個(gè)非線性一一周期時(shí)變的開關(guān)系統(tǒng)。首先，它的輸入是一個(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，且這兩種調(diào)制在負(fù)反饋?zhàn)饔孟孪嗷ビ绊懀刂齐娏鞑ㄐ胃欕妷翰ㄐ巫兓?。該電路中，采用了電壓和電流雙閉環(huán)反饋設(shè)計(jì)，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，進(jìn)行功率因數(shù)校正。電壓環(huán)設(shè)計(jì)中，通過檢測輸出直流電壓Uo與參考電壓Vref進(jìn)行比較，產(chǎn)生電壓反饋信號輸入到乘法器。電流環(huán)設(shè)計(jì)中，電壓誤差放大器及整流后直流電壓Ud通過乘法器產(chǎn)生電流基準(zhǔn)信號，采樣得到電感電流Iac與該基準(zhǔn)電流進(jìn)行比較，通過電流誤差放大器進(jìn)行處理后，產(chǎn)生一個(gè)信號電壓與鋸齒波相比較決定功率開關(guān)的開通關(guān)斷以及占空比，最終使電感電流能夠跟隨基準(zhǔn)電流，有效提高了功率因數(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、電壓幅值采樣電路以及電流采樣電路等幾部分。IGBT斬波控制：由于應(yīng)用于變頻空調(diào)中的功率因數(shù)校正器，需要工作在長時(shí)間大功率工況下，當(dāng)功率較大時(shí)，在傳統(tǒng)APFC中，功率器件承受較大的電流應(yīng)力，造成器件選型的困難，使產(chǎn)品成本大大增加，而且影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。所以，本設(shè)計(jì)中，為了能有效的提高功率因數(shù)，降低對元器件的要求及減小元器件損耗，在傳統(tǒng)的APFC基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，采用了避開電流高峰，每個(gè)電壓周期中部分?jǐn)夭ǖ臄夭刂品绞健Ｏ鄬τ谡麄€(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效率與成本進(jìn)行考慮，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)合點(diǎn)。IGBT的開關(guān)頻率選定在16?20kHZ左右。IGBT斬波控制中，為了能夠在有效的降低器件的開關(guān)損耗的同時(shí)能使功率因數(shù)校正及諧波抑制都達(dá)到一個(gè)較好的效果，如何根據(jù)交流輸入電壓以及輸出電壓和負(fù)載的變化選擇合適的開關(guān)時(shí)序成為一個(gè)關(guān)鍵。通過多次的仿真及試驗(yàn)研究，本系統(tǒng)中，采用的方法是通過對輸入交流電壓及輸出直流電壓幅值的比較對斬波時(shí)序進(jìn)行控制。圖2交流輸入電壓與直流輸出電壓的比較如圖2所示為用PSPICE9.1進(jìn)行的仿真波形，設(shè)定合適的電路參數(shù)，當(dāng)電源交流輸入電壓為Ui為220V時(shí)，直流輸出電壓Uo在290v左右略有波動。通過電壓幅值采樣電路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)，通過斬波控制信號比較器控制IGBT停止斬波，當(dāng)輸入交流電壓幅值Ui小于輸出直流電壓Uo,重新開始斬波。通過圖2的仿真波形可以看出，輸入電壓在高峰處大于直流輸出電壓，可控制開關(guān)器件停止斬波。電壓過零檢測電路：為了使輸入電流與輸入電壓同相位，必須進(jìn)行輸入電壓過零檢測。如上圖所示，通過R1、R2進(jìn)行電壓檢測輸入到三極管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)的輸出口電平被箝位到零，輸入到CPU的中斷口；當(dāng)輸入交流電壓瞬時(shí)值接近零的時(shí)候，三極管關(guān)斷，向CPU中斷口發(fā)出高電平信號，CPU通過該電平轉(zhuǎn)換信號對電流進(jìn)行控制使輸入電流跟蹤輸入電壓變化。電壓幅值采樣電路：

由于本系統(tǒng)中IGBT斬波時(shí)序控制要通過交流輸入電壓和直流輸出電壓幅值進(jìn)行比較后進(jìn)行控制，因此電壓幅值采樣電路在本電路中尤為重要，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，如上圖所示，通過電阻R1和R2分壓后對輸入交流電壓瞬時(shí)值進(jìn)行采樣后輸入CPU進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，直流輸入電壓幅值則通過電阻R3、R4分壓后采樣再輸入CPU進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。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，通過電阻Rac對電流進(jìn)行檢測，需要進(jìn)行電流采樣電流在外電路轉(zhuǎn)換為小電阻Rac兩端的電壓輸入CPU的A/D轉(zhuǎn)換口進(jìn)行電流采樣。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，輸入電流基本跟隨交流輸入電壓變化，高次諧波得到有效抑制。如圖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)進(jìn)行的波形分析圖，校正后波形相較校正前更接近正弦波。圖4為對校正結(jié)果的諧波分析圖。由圖中可知，采用該方式后PF值可以達(dá)到0.95以上，高次諧波均不超過國家諧波標(biāo)準(zhǔn)，控制結(jié)果完全符合應(yīng)用于家電設(shè)備的要求，且有效的降低了元器件要求，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性，在變頻空調(diào)產(chǎn)品化過程中更具有實(shí)用性。圖4校正結(jié)果諧波分析因此，根據(jù)變頻空調(diào)產(chǎn)品化過程中應(yīng)用PFC時(shí)對降低成本和提高系統(tǒng)可靠性的雙重要求，對PFC的斬波方式進(jìn)行改進(jìn)，采用了避開電流高峰，部分進(jìn)行斬波的新型斬波控制方式。通過理論分析及試驗(yàn)結(jié)果的諧波分析，該