一种空调用新型PFC的设计

一种空调用新型PFC的设计崔翠邹金惠昆明理工大学弓I言：近年来，随着电子技术的发展，各种电子设备，家用电器等被大量应用到日常生活和工作中，空调设备也越来越多的进入到家庭。同时家用电器的使用可能产生的电流谐波和无功功率对电网的污染也越来越引起人们的重视。谐波的存在，不仅大大降低了输入电路的功率因数，而且对公共电力系统造成污染，引发了电路故障。为了抑制电网谐波，减少电流污染，从1992年开始国际上开始以立法的形式限制高次谐波，中国也颁布了相关的国家标准；电器产品只有符合相应的谐波标准才可以进入市场。目前采用有源功率因数校正(APFC)电路的整流器已经成为抑制谐波的主流方法。本文中介绍了在平均电流技术控制下的Boost型功率因数校正方式的基础上的新型空调用PFC设计。近些年来，国内对APFC技术的实现主要集中于小功率应用场合如小功率开关电源、镇流器等，对于较大功率应用场合，其产品化比较少，与国外差距很大。同时，在单相APFC控制器的产品化过程中还有很多亟待解决的问题。为此，本文立足于单相APFC控制器的产品化，研究了传统的升压式PFC,并在此基础上进行了一定的改进，从理论和实践两个方面进行了一定的研究和讨论，并取得了一些有意义的成果。原理及设计功率因数校正的基本原理：非线性电路的功率因数与电流波形的失真情况有关，可用畸变因数(distortionfactor)或总谐波畸变率(TotalHarmonicsDistortion)来衡量电流波形失真情况。畸变因数为：4=, '1 畸变因数为：4=, '1 :1 \：I2+12H12H\o"CurrentDocument"、1 2 n3n总谐波畸变率(THD)为： THD= —1二者的关系可表述为：I1—1一1 <1+THD2功率因数定义为畸变因数与位移因数的乘积(PF):PF=cos中尺1+THD2=cos中/Y(1-2)(1-1)(1-3)(1-4)其中Y表示波形系数，cos中表示位移因数。功率因数的基本原理，就是通过电路方法采取措施，设法抑制输入电流中的谐波分量，使电源输入电流实现正弦化，并与输入电压保持同相位，以解决由此类AC/DC变换装置所引起的谐波污染。正弦化就是使其他谐波为零，即Y=1;同相位是使cos中=1即中=0o⑴。功率因数校正方法可分为无源功率因数校正和有源功率因数校正。无源功率因数校正结构

简单，便于实现，但校正后功率因数不高。有源功率因数校正是在桥式整流器与输出电容滤波之间加入一个功率变换器，将输入电流校正成为与输入电压同相位且不失真的正弦波，使功率因数接近1。有源功率因数校正结构复杂，但校正效果较好，是目前较广泛应用的功率因数校正方法。按照电路结构，有源功率因数校正可以分为降压式、升/降压式、反激式以及升压式(Boost)。升压式拓扑结构采用简单电流型控制方法，具有PF值较高，总谐波失真(THD)小等优点，应用最为广泛。其输出电压高于输入电压，适用于75〜2000W的场合。按照输入电流的控制原理，有源功率因数校正又可以分为平均电流型，滞后电流型，峰值电流型以及电压控制型。其中，平均电流型控制的工作频率固定，输入电流连续，开关管电流的有效值较小，比较适用于中等功率和较大功率的场合，虽然其控制电路较复杂，仍然得到了广泛应用。本文中采用的就是平均电流控制的boost架构的PFC电路。电路设计及分析：目前越来越多的采用变频技术来控制空调的运行，这对功率因数校正的要求就更具有现实意义。当前应用较广泛的变频技术是把电网提供的电源经过整流滤波后得到比较稳定的直流电源，然后采用PWM技术斩波输出可调频率和幅值的正弦波，从而达到方便的变频调速控制和节能控制的目的。UiRo■T1-过零检测电路信号比较器UiRo■T1-过零检测电路信号比较器图1平均电流控制的boost型电路原理图如上图所示为本文所采用的平均电流控制的boost型电路原理图，该电路中由整流桥输出电压的检测信号和电压误差放大器输出信号的乘积产生基准电流信号进行比较后，为开关管提供PWM信号。PFC电路本质上是一个非线性一一周期时变的开关系统。首先，它的输入是一个全波整流波形；其次，这种电路包含两种调制，一种是正弦脉宽调制，另一种是幅度调制，且这两种调制在负反馈作用下相互影响，控制电流波形跟踪电压波形变化。该电路中，采用了电压和电流双闭环反馈设计，电压环(外环)稳定输出电压，电流环(内环)使输入电流很好地跟踪输入电压波形，进行功率因数校正。电压环设计中，通过检测输出直流电压Uo与参考电压Vref进行比较，产生电压反馈信号输入到乘法器。电流环设计中，电压误差放大器及整流后直流电压Ud通过乘法器产生电流基准信号，采样得到电感电流Iac与该基准电流进行比较，通过电流误差放大器进行处理后，产生一个信号电压与锯齿波相比较决定功率开关的开通关断以及占空比，最终使电感电流能够跟随基准电流，有效提高了功率因数。本系统的控制电路结构大致可分为IGBT斩波控制电路、电压过零检测电路、电压幅值采样电路以及电流采样电路等几部分。IGBT斩波控制：由于应用于变频空调中的功率因数校正器，需要工作在长时间大功率工况下，当功率较大时，在传统APFC中，功率器件承受较大的电流应力，造成器件选型的困难，使产品成本大大增加，而且影响系统的稳定性。所以，本设计中，为了能有效的提高功率因数，降低对元器件的要求及减小元器件损耗，在传统的APFC基础上进行了改进，采用了避开电流高峰，每个电压周期中部分斩波的斩波控制方式。相对于整个周期内全部斩波的APFC控制方式来说，采用此种新型斩波方式会在一定程度上降低功率因数校正效果，不利于高次谐波的抑制，但由于电器产品化过程中需要综合效率与成本进行考虑，只要采用合适的斩波时序进行控制，就可以使控制效果与系统成本达到最佳的结合点。IGBT的开关频率选定在16〜20kHZ左右。IGBT斩波控制中，为了能够在有效的降低器件的开关损耗的同时能使功率因数校正及谐波抑制都达到一个较好的效果，如何根据交流输入电压以及输出电压和负载的变化选择合适的开关时序成为一个关键。通过多次的仿真及试验研究，本系统中，采用的方法是通过对输入交流电压及输出直流电压幅值的比较对斩波时序进行控制。图2交流输入电压与直流输出电压的比较如图2所示为用PSPICE9.1进行的仿真波形，设定合适的电路参数，当电源交流输入电压为Ui为220V时，直流输出电压Uo在290v左右略有波动。通过电压幅值采样电路取得交流输入电压和直流输出电压幅值，然后通过比较器进行比较。当输入交流电压Ui幅值大于输出直流电压Uo时，通过斩波控制信号比较器控制IGBT停止斩波，当输入交流电压幅值Ui小于输出直流电压Uo,重新开始斩波。通过图2的仿真波形可以看出，输入电压在高峰处大于直流输出电压，可控制开关器件停止斩波。电压过零检测电路：为了使输入电流与输入电压同相位，必须进行输入电压过零检测。如上图所示，通过R1、R2进行电压检测输入到三极管T1，当输入电压经过过零点时，三极管导通，该环节相应的输出口电平被箝位到零，输入到CPU的中断口；当输入交流电压瞬时值接近零的时候，三极管关断，向CPU中断口发出高电平信号，CPU通过该电平转换信号对电流进行控制使输入电流跟踪输入电压变化。电压幅值采样电路：

由于本系统中IGBT斩波时序控制要通过交流输入电压和直流输出电压幅值进行比较后进行控制，因此电压幅值采样电路在本电路中尤为重要，它将直接影响到功率因数校正及谐波抑制的效果。电压幅值检测包括输入交流电压幅值检测和输出直流电压幅值检测，如上图所示，通过电阻R1和R2分压后对输入交流电压瞬时值进行采样后输入CPU进行A/D转换，直流输入电压幅值则通过电阻R3、R4分压后采样再输入CPU进行A/D转换。电流采样电路：本设计中采用了较为简单的电流采样电路，通过电阻Rac对电流进行检测，需要进行电流采样电流在外电路转换为小电阻Rac两端的电压输入CPU的A/D转换口进行电流采样。试验结果：经过该功率因数校正电路的PWM斩波控制后，输入电流基本跟随交流输入电压变化，高次谐波得到有效抑制。如图3所示为采用本文所述新型平均电流控制的boost型电路进行功率因数校正试验进行的波形分析图，校正后波形相较校正前更接近正弦波。图4为对校正结果的谐波分析图。由图中可知，采用该方式后PF值可以达到0.95以上，高次谐波均不超过国家谐波标准，控制结果完全符合应用于家电设备的要求，且有效的降低了元器件要求，提高了系统稳定性，在变频空调产品化过程中更具有实用性。图4校正结果谐波分析因此，根据变频空调产品化过程中应用PFC时对降低成本和提高系统可靠性的双重要求，对PFC的斩波方式进行改进，采用了避开电流高峰，部分进行斩波的新型斩波控制方式。通过理论分析及试验结果的谐波分析，该